合作分集对WSN路由的影响与AnRaF协议研究

摘要

无线传感器网络作为新兴的测控网络技术，是能够自主实现数据的采集、融合和传输应用的智能网络应用系统，由大量具有通信与计算能力的微小传感器节点组成，能够根据环境自主完成指定任务。WSN是一种大规模、无人值守、资源严格受限的全分布系统，采用多跳对等的通信方式，其网络拓扑动态变化，具有自组织、自治、自适应等智能属性。它的应用前景不可估量的同时，也给网络的通信、组网、管理和协同信息处理等带来新的问题。WSN设计的难点在于：在有效传输数据的情况下节省有限的能量资源来获取更长的网络寿命。 合作通信(又称合作分集)技术是一种新的空间分集技术。该技术通过用户之间共享天线构成虚拟天线阵列，对比于传统的多天线系统(MIMO)，并不要求用户终端配备多根天线，大大降低了用户终端的设计复杂度和成本，但同时又享有多天线系统的好处，通过利用空间分集对抗信道衰落，提高传输的质量。 由于无线信道的广播特性，十分利于合作传输，因此将合作通信引入自组织网络成为新的研究热点。但是大多数合作通信的研究集中在物理层，合作引入后对于网络的更高层的影响并没有很好的展开讨论。基于合作通信的合作路由是一个新的研究领域，并且现有的研究表明合作能够大大降低自组织网络的能量消耗，这一点十分适合能量资源有限的WSN。 本文的贡献在于研究了合作通信对于WSN物理层以上的影响，并提出了相应的MAC协议和路由协议。主要内容归纳如下： ·将路径衰落考虑到各个合作协议如AF、DF、AFF、SDF等的中断概率推导中，得到了在相同中断概率的情况下，合作对通信距离的影响。结果表明，合作使得通信距离有较大的增加，尤其是在中断概率较低的情况下。在此基础上，研究了合作带来的通信距离的改变对网络连接度的影响：如果初始网络是连接的，当冗余节点转入休眠后覆盖区域没有减少的情况下‘通信距离R是感知距离r两倍'是保证合作WSN连接度的充分条件。优化节点分布，提出WSN的合作结构，一种介于平面结构和分层结构之间的网络配置，这种结构能够大大减少监测区域内的节点密度。 ·在研究合作对于通信距离的影响时，发现中继节点位置对合作性能的影响很大，位置信息包括两个因素：中继节点和目的节点之间的距离；中继节点和目的节点在源节点处的夹角。提出了基于角度信息的随机转发路由协议AnRaF，由于角度信息的熵要远远小于地理位置信息的熵，角度信息的获取和维护更为容易。多跳性能、能量性能和时延性能的研究表明，基于角度信息的路由协议能以一半的活动邻节点数取得和其余协议(如GeRaF)相同的性能。·研究合作引入WSN后对于现有的基于竞争机制的无线信道技术和避免碰撞的机制的影响。在基于角度信息路由协议配套的MAC协议基础上，提出了基于合作WSN的MAC协议。 ·基于角度信息路由协议基础上，提出了基于合作WSN的路由协议，并研究该协议在WSN初始连通时、初始非连通时、合作结构WSN中的性能。此外，改进了角度信息获取方法，使之能适应合作WSN。本文采用MATLAB作为仿真工具。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

第一章引言

1.1无线传感器网络概述

1.1.1 WSN的结构

1.1.2传感器节点的结构

1.1.3 WSN协议栈

1.1.4 WSN的特征

1.1.5 WSN的MAC协议

1.1.6 WSN的路由协议

1.2合作通信概述

1.2.1相关工作

1.2.2合作通信网络模型

1.2.3各种合作协议的中断概率

1.3感知冗余和通信冗余

1.4论文内容安排

第二章合作对通信距离的影响

2.1合作对通信距离的影响

2.1.1直传通信

2.1.2 AF合作协议/SDF合作协议

2.1.3 DF合作协议

2.1.4 AFF合作协议

2.2合作对连接度保持的影响

2.2.1初始设定

2.2.2覆盖维持下的网络连接度

2.2.3仿真结果

2.3 WSN的合作结构

2.3.1几种典型节点组下的fn

2.3.2网络连接强度

2.3.3合作结构

2.4小结

第三章角度路由协议

3.1背景介绍

3.2基本思想

3.3多跳性能

3.3.1多跳性能的理论分析

3.3.2路由中断概率Pfall

3.3.3节点移动的影响

3.4 MAC协议的详细说明

3.4.1发送端

3.4.2接收端/侦听节点

3.5能量和时延分析

3.5.1能量和延时性能的计算

3.5.2影响性能的参数

3.5.3传输数据包消耗的总能量和总时间

3.6获取角度信息的方法

3.7小结

第四章合作WSN的MAC协议

4.1背景介绍

4.2冲突避免机制

4.3暴露终端和隐藏终端

4.3.1 BTMA的讨论

4.3.2 RTS-CTS握手的讨论

4.4合作WSN的MAC协议

4.4.1发送端

4.4.2接收端/侦听节点

4.5小结

第五章合作WSN的路由协议

5.1背景介绍

5.2基本思想

5.3性能仿真

5.3.1初始连通网络

5.3.2初始非连通网络

5.3.3具有合作结构的WSN

5.4角度信息的获取

5.5小结

第六章结论与展望

6.1文章主要内容及创新点

6.2进一步研究工作

附录A 各章符号说明

参考文献

发表文章目录

致谢