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文檔簡介
1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks,WSNs)中的傳感器節(jié)點(diǎn)一般具有收發(fā)雙向通信功能,但是在一些應(yīng)用中,采用純發(fā)節(jié)點(diǎn)能顯著節(jié)省部署成本和降低節(jié)點(diǎn)能耗。與收發(fā)節(jié)點(diǎn)相比,純發(fā)節(jié)點(diǎn)無法接收和檢測無線電信號,這使得大量的針對收發(fā)節(jié)點(diǎn)設(shè)計的通信協(xié)議不能簡單套用,而且由于純發(fā)節(jié)點(diǎn)無法協(xié)調(diào)發(fā)射時機(jī),信號碰撞很難避免。本文將此類傳感器網(wǎng)絡(luò)稱為含純發(fā)節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò),按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為單跳網(wǎng)絡(luò)和混合網(wǎng)絡(luò)。本文將含純發(fā)節(jié)點(diǎn)的無
2、線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了歸納分析,同時介紹了純發(fā)送工作方式在超寬帶通信中的相關(guān)研究。重點(diǎn)研究了含純發(fā)節(jié)點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)媒體接入控制層(MAC)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議,主要就防碰撞、壓縮感知應(yīng)用模型、多信道工作方式和簇首負(fù)載均衡等關(guān)鍵技術(shù)問題展開研究。
本研究主要內(nèi)容包括:⑴提出了一種基于節(jié)點(diǎn)唯一識別碼生成發(fā)射間隔的算法(IBBIGA)。在一些由純發(fā)節(jié)點(diǎn)組成的即時定位和物品追蹤系統(tǒng)中,節(jié)點(diǎn)工作時會在單位時間內(nèi)廣播數(shù)次自身的唯一識
3、別碼,當(dāng)節(jié)點(diǎn)密度較大時,發(fā)送的信號會產(chǎn)生碰撞,導(dǎo)致信息丟失。IBBIGA利用節(jié)點(diǎn)識別碼的唯一性,為每一個節(jié)點(diǎn)計算出一組特定的發(fā)射間隔,以有效避免連續(xù)碰撞的出現(xiàn)。算法能保證各節(jié)點(diǎn)單位時間內(nèi)平均發(fā)射次數(shù)相等,從而保證各節(jié)點(diǎn)在長時間工作時能耗均衡。仿真分析表明,與純ALOHA協(xié)議和INCITS371.1協(xié)議相比,IBBIGA的漏讀率更低。⑵討論了壓縮感知(CS)在純發(fā)節(jié)點(diǎn)采集和匯聚數(shù)據(jù)時的應(yīng)用方式,針對含純發(fā)節(jié)點(diǎn)單跳網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集和匯聚過程,
4、將數(shù)據(jù)采集匯聚分成單個節(jié)點(diǎn)的采集壓縮和多個節(jié)點(diǎn)的匯聚傳輸,由采集壓縮的測量矩陣和匯聚傳輸?shù)臏y量矩陣復(fù)合成一個測量矩陣,即復(fù)合測量矩陣。通過數(shù)學(xué)建模,驗證了復(fù)合測量矩陣能保證感知矩陣的約束等距性(RIP)。仿真實驗中,在接收端采用復(fù)合測量矩陣和稀疏基對數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu),分析了多種測量矩陣復(fù)合后的重構(gòu)效果。結(jié)果表明復(fù)合測量矩陣的重構(gòu)效果與信號的時間相關(guān)性有關(guān)。相關(guān)性較弱的信號采用高斯測量矩陣和伯努利測量矩陣的恢復(fù)穩(wěn)定性較好,時間相關(guān)性較強(qiáng)的信號
5、采用隨機(jī)測量矩陣恢復(fù)誤差相對較小。⑶設(shè)計了一種在多跳傳感器網(wǎng)絡(luò)中部署純發(fā)節(jié)點(diǎn)的多信道 MAC協(xié)議(MCTO-MAC)。在含純發(fā)節(jié)點(diǎn)的混合網(wǎng)中,為了增加交付率,純發(fā)節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)時會進(jìn)行多次重發(fā),這會造成信號之間的碰撞,影響混合網(wǎng)中收發(fā)節(jié)點(diǎn)的通信。MCTO-MAC協(xié)議是基于低功耗偵聽(Low Power Listening,LPL)方式,利用多信道機(jī)制,將收發(fā)節(jié)點(diǎn)和純發(fā)節(jié)點(diǎn)分別安置到兩個不同的信道進(jìn)行工作。純發(fā)節(jié)點(diǎn)根據(jù)偽隨機(jī)數(shù)計算的時間間隔
6、進(jìn)行發(fā)送,在發(fā)送的每一幀中均包含計算發(fā)送間隔的隨機(jī)數(shù)種子。收發(fā)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收附近純發(fā)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù),并轉(zhuǎn)發(fā)到匯聚節(jié)點(diǎn)。收發(fā)節(jié)點(diǎn)定時檢測純發(fā)節(jié)點(diǎn)工作的信道,通過分析接收到的隨機(jī)數(shù)種子預(yù)判出每個純發(fā)節(jié)點(diǎn)接入信道的時間,從而安排后續(xù)的接收時刻。在基于 Contiki系統(tǒng)的仿真平臺上進(jìn)行實驗,測試結(jié)果表明,MCTO-MAC協(xié)議能在不增加網(wǎng)絡(luò)能耗的情況下,有效的降低數(shù)據(jù)的相互干擾,增加網(wǎng)絡(luò)的交付率和生存時間。⑷提出了一種啟發(fā)式簇首負(fù)載均衡算法(LB
7、C-TO)。含純發(fā)節(jié)點(diǎn)的混合網(wǎng)絡(luò)中收發(fā)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收附近的純發(fā)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù),通過多跳轉(zhuǎn)發(fā)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn),這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為二層傳感網(wǎng)絡(luò)。收發(fā)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)完成簇首的匯聚和轉(zhuǎn)發(fā)功能,網(wǎng)絡(luò)的能量消耗主要集中在收發(fā)節(jié)點(diǎn)上。為了解決含純發(fā)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中簇首節(jié)點(diǎn)能量消耗均衡問題,根據(jù)含純發(fā)節(jié)點(diǎn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn),提出了輸入輸出數(shù)據(jù)壓縮比的概念,通過建立數(shù)學(xué)模型,推導(dǎo)出相鄰簇首節(jié)點(diǎn)之間負(fù)載均衡的條件。算法LBC-TO要求簇首節(jié)點(diǎn)之間交換覆蓋節(jié)點(diǎn)列表,利用
8、負(fù)載均衡的條件,有序的建立接收節(jié)點(diǎn)列表。與其他分簇算法比較,LBC-TO能有效延長混合網(wǎng)絡(luò)的生存時間。⑸以單體液壓支柱支護(hù)為中心,針對井下工作面工作環(huán)境,介紹基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的液壓支柱壓力檢測系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)。著重介紹了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),傳感節(jié)點(diǎn)的設(shè)計實現(xiàn)和人機(jī)交互界面。通過該系統(tǒng)測試了IBBIGA協(xié)議防連續(xù)碰撞的性能,測試結(jié)果驗證了協(xié)議能有效的防止連續(xù)碰撞。利用等比例搭建的工作面現(xiàn)場工作網(wǎng)絡(luò),測試了MCTO-MAC和LBC-TO的實際
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