无线传感器网络中继节点设置算法的研究

摘要

无线传感器网络技术作为物联网核心技术之一，近年来得到了国内外学者的广泛关注。网络节点布局是无线传感器网络投入运行的首要前提，一般而言，网关节点及传感器节点由其功能特性决定了布局位置的相对固定，为增强无线传感器网络整体的连通性与可靠性，经常需要将中继节点布置于网络中。因此可以说中继节点布局策略的优劣决定了无线传感器网络的寿命、通信效率等一系列指标。
　　虽然无线传感器网络中继节点布局问题引起了越来越多的关注，但相比较于无线传感器网络其他层的研究，中继节点布局算法的研究还相对较少。现存的中继节点布局算法一般以布设最少的中继节点个数为目标，经常忽视中继节点布局禁区、通信容量以及网络整体能耗等问题。针对目前中继节点布局算法存在的问题，本文进行了如下主要内容的研究：
　　1、将中继节点布局禁区、通信路径不可逆、数据转送次数上限值以及中继节点通信容量等多约束条件引入现有中继节点布局模型，提出了基于最小通信网络距离因子的布局算法评价新标准，采用枚举法与贪婪寻优算法相结合的方案完成了网络构建初期中继节点的合理布局以及既存网络添加新的传感器节点后所引起的中继节点调整与追加策略。仿真实验表明，与常规中继节点布局算法相比，本文提出的具有可操作性的多约束中继节点布局与追加优化算法能够显著提升通信网络的能效性；
　　2、针对目前数据聚合技术中所忽略的网络各层数据吞吐量差异造成数据来不及完成数据传输或者数据聚合处理的现象，研究了一种面向可靠数据传输的中继节点延时自适应分配算法，该算法不仅根据节点在网络结构中的位置，同时考虑因子节点数据吞吐量的差异造成的不同时延，同时引入 MAC层送信等待延时补偿，有效地减少数据无线传输时的数据冲撞。理论分析和仿真实验表明该算法在保证数据传输可靠性的同时，无损数据聚合技术的应用有效地降低了网络的通信能耗；
　　3、设计了基于CC2430的无线数据传输模块，通过测试获取了与其通信性能相关的参数，为前期算法研究提供了数据基础，同时为后期真实网络环境下的验证提供了硬件测试条件，此外本文在算法仿真的基础上设计了可视化的GUI人机操作界面。

目录

无线传感器网络中继节点设置算法的研究

A RESEARCH ON RELAY NODE SETTINGS ALGORITHM IN WIRELESS SENSOR NETWORKS

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 国内外研究现状分析

1.3 本课题的研究内容

1.4 论文的组织结构

第2章 相关研究

2.1 无线传感器网络简介

2.1.1 体系结构

2.1.2 无线传感器网络的特点

2.2 中继节点布局算法

2.2.1 相关工作

2.2.2 典型算法分析

2.3 中继节点延时分配算法

2.3.1 问题描述

2.3.2 典型模型分析

2.4 本章小结

第3章 中继节点布局改进算法

3.1 中继节点布局禁区的处理

3.2 中继节点布局优化模型

3.2.1 通信路径上可逆因子

3.2.2 数据转送次数上限值

3.2.3 通信路径组的确立

3.2.4 通信网络约束条件的改善

3.3 布局优化算法的设计实现

3.3.1 网络构建初期中继节点布局算法的实现

3.3.2 既存网络中继节点追加算法的实现

3.4 本章小结

第4章 中继节点延时分配改进算法

4.1 问题描述

4.2 中继节点延时分配算法的实现流程

4.2.1 网络拓扑数据的获取流程

4.2.2 中继节点等待延时的计算及分发

4.2.3 监测数据的可靠回传

4.3 关键问题及优化研究

4.3.1 网络拓扑获取阶段Twait1的讨论

4.3.2 网络节点列表的更新策略

4.3.3 中继节点延时自适应分配策略

4.4 NS2流程模拟

4.4.1 NS2简介

4.4.2 延时分配算法NS2模拟

4.5 本章小结

第5章 设计与实验

5.1 无线数传模块的设计与测试

5.1.1 无线数传模块的设计

5.1.2 无线数传模块的测试

5.2 可视化GUI人机界面的设计

5.2.1 上位机系统功能分析

5.2.2 GUI人机界面的设计

5.3 中继节点布局算法仿真及分析

5.3.1 布局算法贪婪性验证

5.3.2 通信容量设置效果的验证

5.3.3 布局算法能效性对比分析

5.3.4 中继节点追加算法仿真

5.4 中继节点延时分配算法能效性分析

5.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及其它成果

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致 谢