无线传感器网络能协议和算法的研究.pdf

摘要 摘要 无线传感器网络是一种特殊的无线通信网，因其节点数量巨大、成本低廉， 可以快速部署，且不依赖于任何固定设施，能够实时、准确和全面地在多种场合 下采集信息，从而改变人与自然的交互方式，被认为是21世纪最重要的技术之 一。 因为几乎所有节点都由电池供电，通常无法补充能源，所以节能是无线传感 器网络设计中最重要的目标之一。而且从降低网络成本、节约资源和环境保护的 角度来看，研究节能问题也具有重大的意义。 本文在广泛调研的基础上，从MAC协议和跨层协议两方面，对无线传感器 网络的节能协议进行了研究。并将人工智能理论应用于传感器网络的研究，提出 了智能监测和覆盖算法。主要内容与创新点包括以下三个方面： 1． Division 提出了一种时分复用的MAC协议TDMA．WSN(TimeMultipIe Accessfor、矾relessSensor Networl‘s)： 首先，通过邻近节点间的广播，节点确定与其相冲突的节点集合。然后在时 隙分配的过程中，为每个节点在时间帧中分配一个时隙，互相冲突的节点保证不 会占用同一时隙。在分布式的传输数据过程中，因为节点只在自己的时隙内进行 通信，所以避免了冲突。该协议不仅解决了隐藏节点问题，也避免了竞争、冲突 和串音现象所带来的能耗，并证明了所提出的“冲突集合”是有效且最小的，使更 多的节点可以同时无冲突地传输数据，提高了信道利用率。此外，分布式、自组 织的信道访问模式，也减少了控制报文的开销。模拟实验表明，与现有的基于竞 争和调度方式的MAC协议相比，TDMA．wSN协议能够有效地降低能耗，从而 延长网络的生命期。 2． PmtocolforwirelessSensor 提出了两个跨层协议CLwSN(cmssLayer Pmtoc01)： Ne细orb)和TEPA(Ener斟·Emcient11ree-st讯ctu心Cmss-Layer 这两个协议都是在MAC层和网络层之间交互信息，避免了传统协议追求节 能而牺牲时延的缺点，提高了网络的综合性能。 CLWSN协议融合了Ⅱ)MA．WSN和树型路由协议。该协议对“冲突集合”的 定义与TDMA—WSN不同，因为考虑了节点在路由树上的父子关系，从而减少了 “冲突集合”的节点数量，提高了信道利用率。在分布式的时隙优化过程中， CLWSN协议进一步利用路由信息，重新为节点分配时隙，按顺序排列路径上的 第1页 摘要 调度时间表，极大地降低了网络的传输延迟。 TEPA协议也是在TDMA．WSN和树型路由协议间交互信息。与分布式的 CLWsN协议不同，TEPA采用了收敛较快的微分进化算法，在基站集中式计算， 为网络配置调度时间表。该算法将整个网络的调度时间表作为待进化的个体，在 交叉和选择时参考了路由信息。其个体进化的目标方向是，尽量减少路由树上各 路径间的冲突，加速单条路径上的数据传递，最小化网络的总延迟。TEPA协议 首次折中考虑了在不同负载下网络的时延性能，计算出最优而非最短的MAC帧 长度，从而提高了网络的吞吐量。 模拟实验表明，CLWSN和TEPA协议在能耗与时延的综合性能方面有较明 显的改善。 3． 提出了智能监测算法SoMSA(Self-organizingMappingMonito—ng scheduling Mapping DeploymentAlgorithm)： 本文将神经网络理论应用于无线传感器网络的节能研究，在SOMSA算法中， 实现了传感器网络在动态变化环境中的智能监控。该算法使用自组织映射神经网 络进行训练，节点不再孤立地感知信息，而是在簇内交换采集信息和探测模式， 通过竞争选择最适应环境的节点，优