無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)同步與嵌入技術(shù)研究.pdf

1、鑒于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN，Wireless Sensor Networks)的快速部署、分布式協(xié)同工作、成本低廉等特點(diǎn)，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界已經(jīng)對(duì)WSN進(jìn)行了廣泛研究。由于節(jié)點(diǎn)功耗限制、分布式信息處理以及無(wú)線信道等因素的制約，作為WSN關(guān)鍵支撐技術(shù)的節(jié)點(diǎn)精確時(shí)鐘同步和高效介質(zhì)訪問(wèn)控制協(xié)議仍未得到很好的解決。如何保證無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的有效接入，優(yōu)化任務(wù)分配及提高服務(wù)質(zhì)量便成了首要解決的問(wèn)題。首先，時(shí)鐘同步技術(shù)是組網(wǎng)及構(gòu)建協(xié)議的基礎(chǔ)；其次，隨著移

2、動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(MWSN，Mobile Wireless Sensor Networks)和車輛無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(VWSN，Vehicular Wireless Sensor Networks)作為新興技術(shù)受到越來(lái)越多的關(guān)注，大量節(jié)點(diǎn)同時(shí)接入網(wǎng)絡(luò)的增強(qiáng)技術(shù)和提升MWSN和VWSN的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接入效率問(wèn)題也必須得到很好的解決。
　　針對(duì)上述問(wèn)題，本文從四個(gè)方面研究WSN的同步和接入增強(qiáng)技術(shù)：基于分組信令交互式的時(shí)鐘同步協(xié)議設(shè)計(jì)；基于博

3、弈論的多節(jié)點(diǎn)并行接入單信道的控制策略；基于移動(dòng)性感知的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的接入問(wèn)題；基于時(shí)隙利用率最大化的VWSN時(shí)隙分配策略。具體研究?jī)?nèi)容如下：
　　研究了WSN中的分布式時(shí)鐘同步問(wèn)題?？紤]無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的同步精度、無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)同步開銷以及實(shí)現(xiàn)條件，分析比較了現(xiàn)有分布式時(shí)鐘同步算法存在的問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上，提出了一種低同步開銷的多跳分布式時(shí)鐘同步算法。該算法首先建立一對(duì)同步節(jié)點(diǎn)，然后該對(duì)同步節(jié)點(diǎn)廣播消息，使位于該對(duì)節(jié)點(diǎn)廣播域內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)同

4、步，通過(guò)建立一個(gè)樹形結(jié)構(gòu)(具有雙根節(jié)點(diǎn))將算法擴(kuò)展到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。仿真結(jié)果表明在不明顯降低同步精度的條件下，所提出的算法能夠有效地降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的同步開銷。
　　研究了單信道內(nèi)多節(jié)點(diǎn)并行傳輸問(wèn)題?；诟蓴_感知的接收信干比模型，將網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)并行接入同一信道的控制決策過(guò)程建模為信道接入博弈。隨后，求解此博弈的納什均衡解作為傳輸門限，并提出一種單信道多節(jié)點(diǎn)并行傳輸?shù)姆植际浇尤雲(yún)f(xié)議。仿真結(jié)果表明并行傳輸門限可根據(jù)活動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)、互擾比、傳輸

5、成本及無(wú)線接收機(jī)的靈敏度自適應(yīng)調(diào)整。本策略允許多個(gè)節(jié)點(diǎn)在單信道內(nèi)并行傳輸，在提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量的同時(shí)降低了能量消耗和通信開銷。
　　研究了WSN中提升移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的接入效率問(wèn)題。為解決移動(dòng)節(jié)點(diǎn)連通性較弱的問(wèn)題，提出一種提升移動(dòng)節(jié)點(diǎn)連通性的保障時(shí)隙(GTS，Guaranteed Time Slot)分配策略。首先，采用卡爾曼濾波預(yù)測(cè)模型得到用戶下一階段位置；接下來(lái)，引入一種考慮速度、方向和相對(duì)移動(dòng)性的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)程度界定方法，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行G

6、TS預(yù)約優(yōu)先級(jí)的初步確定；隨后，根據(jù)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)對(duì)所預(yù)約時(shí)隙的使用反饋情況自適應(yīng)調(diào)整預(yù)約優(yōu)先級(jí)；最后，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)決定GTS時(shí)隙的使用順序及額外預(yù)留時(shí)隙的使用權(quán)。仿真結(jié)果顯示，提出的分配策略在具有不同移動(dòng)性節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)中，能夠提高移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接入的成功率，保證較低的分組平均傳輸時(shí)延及較高的分組投遞率。此外，采用基于反饋機(jī)制的自適應(yīng)預(yù)約優(yōu)先級(jí)調(diào)整策略能夠顯著增加整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中已分配時(shí)隙的正確使用率。
　　研究了在中高速情況下節(jié)點(diǎn)快速接入路側(cè)單

7、元(RSU，Road Side Unit)的機(jī)制，并考慮車載無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)可持續(xù)供電的特點(diǎn)，在與IEEE802.15.4協(xié)議族兼容的條件下對(duì)傳統(tǒng)WSN的超幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，提出使用帶有優(yōu)先級(jí)及反饋機(jī)制的GTS時(shí)隙分配方法，旨在保證車輛無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境下節(jié)點(diǎn)的快速接入。在給定時(shí)延要求、GTS時(shí)隙數(shù)和接入節(jié)點(diǎn)數(shù)條件下，通過(guò)使用網(wǎng)絡(luò)微積分理論分析時(shí)隙利用率上限，進(jìn)一步優(yōu)化所提出的接入方法。仿真結(jié)果表明所提出的TS-WRR算法由于對(duì)剩余時(shí)隙