基于节能的无线传感器网络跨层优化设计研究

摘要

随着通信技术、集成电路技术、嵌入式技术以及无线通信技术的不断发展，低功耗、低成本多功能的无线传感器得到了广泛的应用。大量移动或者静止的传感器节点随机部署在人们很难到达的区域，以多跳和自组织的方式构成了无线传感器网络（WSN），WSN能实时采集与处理各种环境下的信息，并对兴趣目标进行长期监测。已经广泛应用在智能家居、农业生产、工业制造和医疗救护等常见领域，以及野外探险和太空探索等特殊领域。
　　传感器节点通常会随机部署在环境多变的地方，使用电池供电，当电池能量耗尽将无法继续工作，因此无线传感器的能耗问题成为 WSN的核心问题，人们针对能耗问题进行了大量研究并取得了一定成果，例如WSN拓扑结构的控制，数据融合技术、时钟同步技术、功率控制技术和WSN协议栈优化等技术的研究都能减少WSN能量的消耗。
　　对传统分层优化模式进行学习研究，了解WSN各层协议功能与主要协议算法，传统分层优化模式设计简单，可以在一定程度上优化网络性能，但存在较为严重的局限性，各层间缺乏信息交互，容易产生容易数据，某一层的最优性能可能会降低其他层的性能，使整个网络性能达不到最优，因此需要使用跨层优化方法进一步优化网络，对现有跨层优化思想和方法学习。物理层、链路层和网络层联系紧密，与 WSN的组网和通信有关，使用联合设计的跨层优化方法，联合设计物理层、链路层和网络层协议，提出一种跨层优化模型，提高各层间信息交互效率，优化网络的组网方式和通信方式，并将跨层优化模型应用到分簇路由算法中，制定更加合理的路由选择，建立更加优化的簇，选择更节能的通路进行数据转发，实现延长网络生命周期的目的。对分簇路由协议设计了仿真程序，对分簇路由算法对网络生命周期、节点剩余能量和对环境的适应能力进行仿真测试，验证跨层优化模型的正确性和有效性。

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第1章 绪论

1.1无线传感器网络研究背景及意义

1.2无线传感器网络国内外研究情况

1.3无线传感器网络特点

1.4无线传感器网络关键技术

1.5课题研究内容与结构安排

第2章无线网络协议栈体系结构

2.1 无线传感器网络能量消耗模型

2.2传统分层协议栈体系结构概述

2.3 链路层协议

2.4 网络层协议

2.5 物理层功率控制技术

2.6本章总结

第3章 无线传感器网络跨层设计与研究

3.1 跨层优化设计概述

3.2跨层优化设计

3.3现有跨层优化设计方案

3.4提出一种跨层优化模型

3.5本章总结

第4章 基于节能的跨层优化方法实现

4.1物理层模型设计

4.2链路层模型设计

4.3网络层模型设计

4.4本章总结

第5章仿真测试

5.1 Leach-CLO设计流程图

5.2测试环境

5.3测试结果及分析

5.4本章总结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果

致谢