无线传感网移动接入与信息获取优化策略研究

摘要

在大规模异构无线传感器网络中引入节点的移动性能有效提高网络的吞吐量、生存时间、可靠性与覆盖度。现有针对异构无线传感器网络移动性的研究主要面向容忍延迟(DelayTolerent)等类型的应用，以最优化网络能耗为目标，不能很好解决移动节点的快速、无缝接入问题，且无法有效满足如城市轨道交通反恐等应用中基于移动节点的大数据量、实时传感信息获取要求。针对上述问题，本文从快速移动接入协议、移动汇聚节点临近分簇动态调整、移动自适应跨层优化设计等角度出发，对大规模异构无线传感器网络中移动汇聚节点动态接入和信息获取优化问题展开研究。本文的主要贡献如下： 首先，针对大规模异构传感器网络中移动和固定节点混合组网问题，在三层网络体系架构下，提出了一种面向移动无线传感器网络的跨层协议栈框架，设计了支持移动节点异构组网的协议栈层间接口和功能模块，并对移动无线传感网的应用模式与应用场景进行了详细的分析，为后续研究工作奠定基础。 其次，针对大规模异构无线传感器网络中移动节点快速接入、移动链路维护、汇聚节点周围通信模式优化等问题，结合现有多种MAC协议的优点，提出了一种移动自适应MAC协议MA-MAC。该协议实现了低时延移动接入，具备移动链路自动维护功能，并提供了一种自适应工作模式调整机制以缓解移动节点周围的通信瓶颈问题。仿真研究表明相对现有典型移动MAC协议，MA-MAC极大提高了移动节点与底层传感节点之间的数据交互性能，且资源要求低、可实现性强。 再次，针对现有大规模异构无线传感器网络分簇协议无法有效支持节点移动性和切换问题，结合MA-MAC协议与双重分簇DC-MAC协议，提出了一个基于分簇网络结构的移动自适应MAC协议MA-DC-MAC，并针对移动信息获取中存在的移动汇聚节点附近聚播数据传输效率低等问题，设计了一种自适应跨层优化方案AOCMSN。仿真实验证明经过AOCMSN优化的MA-DC-MAC协议能够大幅度提高移动汇聚节点附近聚播数据传输的吞吐率和成功率，同时也降低了数据传输时延和能量消耗。 再次，针对中层无线传感器网络中固定与移动汇聚节点混合组网问题进行深入分析，提出了一种基于混合汇聚节点的传感信息获取机制。该机制极大降低了网络节点在移动路由维护方面的开销。仿真研究表明相对于固定传感器网络，使用该信息获取机制的混合网络在不同负载下能获得较高的数据传输成功率和较低的平均数据传输延迟，同时网络生存时间也大幅延长。 最后，为有效展开异构、移动无线传感器网络的研究，基于Qualnet仿真软件搭建了一个高逼真度的无线传感器网络仿真平台，提供了节点能耗模型、节点跨层公共数据存取接口、移动支持与管理接口等，并设计了一个独立于Qualnet原有IP协议栈的传感器网络协议栈，使之能够支持高逼真度、高效率的大规模异构传感器网络仿真及传感器/IP双网络混合仿真，为多层次异构移动传感器网络仿真研究打下基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1引言

1.1.1无线传感器网络概述

1.1.2无线传感器网络的特点

1.1.3无线传感器网络的应用

1.1.4无线传感器网络的发展

1.2论文研究工作简介

1.2.1研究背景与问题由来

1.2.2研究内容与预期结果

1.2.3主要研究方法

1.3论文章节安排

第2章异构移动无线传感器网络体系模型分析

2.1引言

2.2无线传感器网络中的异构性

2.2.1无线传感器网络中异构性的分类

2.2.2无线传感器网络中异构性存在的原因

2.2.3异构性带来的问题与挑战

2.3无线传感器网络中的移动性

2.3.1无线传感器网络中移动性存在的原因

2.3.2移动性对网络性能的影响

2.3.3移动性的分类

2.3.4移动性带来的问题与挑战

2.4异构无线传感网移动性问题的研究

2.4.1网络层次模型与网络架构

2.4.2应用模式与应用场景

2.4.3协议栈方案

2.5本章小结

第3章移动自适应的无线传感网MAC协议设计

3.1引言

3.2无线传感网MAC协议综述

3.2.1无线传感网中MAC设计目标

3.2.2无线传感网MAC协议分类

3.2.3无线传感网MAC协议设计的挑战

3.3移动自适应MA-MAC协议的设计

3.3.1 MA-MAC概述

3.3.2 MA-MAC基本工作原理

3.3.3 MA-MAC移动接入机制

3.3.4 MA-MAC链路维护机制

3.3.5 MA-MAC工作模式调整机制

3.4性能分析

3.4.1协议基本参数

3.4.2移动接入时延

3.4.3能耗模型分析

3.4.4传输时延模型

3.5仿真实验与结果分析

3.5.1移动接入时延

3.5.2移动数据传输丢失率

3.5.3移动数据获取吞吐率

3.6本章小结

第4章分簇无线传感网移动信息获取优化策略

4.1引言

4.2 MAC层协议对分簇网络的支持

4.2.1基于双重分簇的能量有效DC-MAC介绍

4.2.2支持节点移动性的MA-DC-MAC协议介绍

4.3移动信息获取优化策略

4.3.1拥塞检测

4.3.2局部分簇调整机制

4.3.3多路径路由策略

4.3.4 MAC层协议优化

4.3.5拥塞控制机制

4.4仿真实验与结果分析

4.4.1仿真场景

4.4.2性能分析与比较

4.5本章小结

第5章一种基于混合汇聚节点的无线传感网信息获取方法

5.1引言

5.2模型与假设

5.2.1基本假设

5.2.2基本模型

5.3设计思路

5.3.1节点状态及转换

5.3.2路由维护方法

5.3.3实现过程

5.4仿真实验与结果分析

5.4.1仿真场景

5.4.2仿真结果分析

5.5本章小结

第6章大规模异构移动无线传感网仿真平台设计

6.1引言

6.2现有仿真工具介绍

6.3大规模异构移动无线传感器网络仿真系统分析

6.4基于Qualnet的大规模异构移动传感器网络仿真平台设计

6.4.1 Qualnet仿真工具简介

6.4.2大规模异构移动传感器网络仿真平台架构

6.4.3传感器网络相关模型设计

6.4.4节点数据库设计

6.4.5移动性支持模块设计

6.4.6异构传感器网络仿真功能设计

6.5本章小结

第7章总结与展望

7.1本文主要工作与创新点

7.2研究工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果