無線傳感器網(wǎng)絡(luò)同步與嵌入技術(shù)研究.pdf

1、鑒于無線傳感器網(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，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界已經(jīng)對WSN進行了廣泛研究。由于節(jié)點功耗限制、分布式信息處理以及無線信道等因素的制約，作為WSN關(guān)鍵支撐技術(shù)的節(jié)點精確時鐘同步和高效介質(zhì)訪問控制協(xié)議仍未得到很好的解決。如何保證無線傳感器節(jié)點的有效接入，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題。首先，時鐘同步技術(shù)是組網(wǎng)及構(gòu)建協(xié)議的基礎(chǔ)；其次，隨著移

2、動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(MWSN，Mobile Wireless Sensor Networks)和車輛無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(VWSN，Vehicular Wireless Sensor Networks)作為新興技術(shù)受到越來越多的關(guān)注，大量節(jié)點同時接入網(wǎng)絡(luò)的增強技術(shù)和提升MWSN和VWSN的移動節(jié)點接入效率問題也必須得到很好的解決。
　　針對上述問題，本文從四個方面研究WSN的同步和接入增強技術(shù)：基于分組信令交互式的時鐘同步協(xié)議設(shè)計；基于博

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

4、步，通過建立一個樹形結(jié)構(gòu)(具有雙根節(jié)點)將算法擴展到整個網(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網(wǎng)絡(luò)的同步開銷。
　　研究了單信道內(nèi)多節(jié)點并行傳輸問題?；诟蓴_感知的接收信干比模型，將網(wǎng)絡(luò)中多個節(jié)點隨機并行接入同一信道的控制決策過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)活動節(jié)點數(shù)、互擾比、傳輸

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

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

7、元(RSU，Road Side Unit)的機制，并考慮車載無線傳感器節(jié)點可持續(xù)供電的特點，在與IEEE802.15.4協(xié)議族兼容的條件下對傳統(tǒng)WSN的超幀結(jié)構(gòu)進行修改，提出使用帶有優(yōu)先級及反饋機制的GTS時隙分配方法，旨在保證車輛無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境下節(jié)點的快速接入。在給定時延要求、GTS時隙數(shù)和接入節(jié)點數(shù)條件下，通過使用網(wǎng)絡(luò)微積分理論分析時隙利用率上限，進一步優(yōu)化所提出的接入方法。仿真結(jié)果表明所提出的TS-WRR算法由于對剩余時隙