本文關(guān)鍵詞：單收發(fā)器多信道無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的研究

  更多相關(guān)文章： MAC協(xié)議 信道預(yù)測與分配 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 蟻群算法 NS2仿真

【摘要】：隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN,Wireless Sensor Network)技術(shù)的迅速發(fā)展,人們對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸性能的要求越來越高。當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的單信道無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議由于自身信道資源利用率不高的特點(diǎn)而造成網(wǎng)絡(luò)吞吐量性能受到嚴(yán)重影響的現(xiàn)象而逐漸被淘汰。多信道無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議能夠在很大程度上提高網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)吞吐量以及丟包率等網(wǎng)絡(luò)性能,并且可以解決因網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間相互干擾嚴(yán)重而造成的網(wǎng)絡(luò)癱瘓等問題。對(duì)于多信道無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議能否協(xié)調(diào)傳感器節(jié)點(diǎn)公平的使用無線信道資源,能否保障通信信道的服務(wù)質(zhì)量(QOS),能否提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量、網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延等網(wǎng)絡(luò)性能,能否最大限度的利用有限的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。通過對(duì)現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分析可知,現(xiàn)有協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)性能在很多情況下無法滿足人們對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?加上對(duì)硬件成本的考慮,因此提出一種高效的單收發(fā)器多信道無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議具有重要的意義。在對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多信道MAC協(xié)議需要解決的問題進(jìn)行分析研究的基礎(chǔ)上,本文提出了一種基于IEEE802.15.4協(xié)議的單收發(fā)器多信道MAC協(xié)議。本課題的主要研究工作包括:針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多信道MAC協(xié)議中普遍存在的因信道負(fù)載分布不均而導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸過程中發(fā)生碰撞,從而造成丟包率嚴(yán)重以及數(shù)據(jù)吞吐量較小的問題,本文提出了一種基于蟻群算法的負(fù)載均衡信道分配策略,利用蟻群算法啟發(fā)式搜索的優(yōu)勢,通過調(diào)整揮發(fā)因子、殘留因子以及啟發(fā)因子等參數(shù),不斷向信道負(fù)載分布最均衡的情況逼近。針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于信道間干擾嚴(yán)重而造成的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延較高的問題,本文提出了一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信道質(zhì)量預(yù)測機(jī)制,采用經(jīng)過多次BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自我學(xué)習(xí)的措施,將預(yù)測干擾嚴(yán)重的信道過濾掉,不參與信道分配的過程。針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)普遍存在的因廣播包在網(wǎng)絡(luò)中過度積累造成廣播效率低下的問題,本文采用了基于網(wǎng)絡(luò)時(shí)延最小生成樹的廣播機(jī)制,按照行成最小生成樹的算法,形成基于最小網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的廣播樹,從而在保證廣播覆蓋率的前提下,達(dá)到降低廣播時(shí)延的目的,進(jìn)而提升廣播效率。針對(duì)部分協(xié)議因時(shí)間同步機(jī)制精確度不夠造成的信道協(xié)商效率較低的問題,為實(shí)現(xiàn)更精確的時(shí)間同步機(jī)制本文采用了雙向報(bào)文交互和參數(shù)擬合相結(jié)合方法,通過最小二乘法線性擬合的方式得到參數(shù)更加精確的時(shí)間同步方程,從而可以提升時(shí)間同步機(jī)制的精確度。針對(duì)信道接入時(shí)延較長的問題,本文設(shè)計(jì)了自適應(yīng)的CSMA/CA信道接入機(jī)制,通過自適應(yīng)的調(diào)整退避指數(shù)以及競爭窗口長度的大小能夠有效的降低信道的接入時(shí)延。并結(jié)合本文提出的MAC協(xié)議的特點(diǎn)對(duì)幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計(jì)。通過NS2實(shí)驗(yàn)表明:本文設(shè)計(jì)的MAC協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)吞吐量、網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延、丟包率等網(wǎng)絡(luò)性能方面與典型的多信道MMAC協(xié)議及應(yīng)用最為廣泛的單信道IEEE802.15.4協(xié)議相比,都有了很大程度的提升。通過相關(guān)硬件實(shí)驗(yàn)證明本文設(shè)計(jì)的單收發(fā)器多信道無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與傳統(tǒng)的IEEE802.15.4協(xié)議相比可以有效減小網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延,提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量和抗干擾能力。從而證明本文設(shè)計(jì)的單收發(fā)器多信道MAC協(xié)議能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。
【關(guān)鍵詞】：MAC協(xié)議 信道預(yù)測與分配 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 蟻群算法 NS2仿真
【學(xué)位授予單位】：華北電力大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TP212.9;TN915.04
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 緒論11-17
• 1.1 選題背景與意義11-12
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀12-14
• 1.2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀12-13
• 1.2.2 國外研究現(xiàn)狀13-14
• 1.3 本文主要研究內(nèi)容14-15
• 1.4 論文的組織結(jié)構(gòu)15-17
• 第2章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議17-25
• 2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議17-19
• 2.1.1 典型的單信道MAC協(xié)議分析對(duì)比17-19
• 2.1.2 典型的多信道MAC協(xié)議分類總結(jié)19
• 2.2 多信道MAC協(xié)議面臨的問題19-22
• 2.3 IEEE802.15.4 協(xié)議22-24
• 2.3.1 ISO-OSI參考模型和ZigBee的關(guān)系22
• 2.3.2 物理層規(guī)范22-23
• 2.3.3 MAC層協(xié)議規(guī)范23-24
• 2.4 本章小結(jié)24-25
• 第3章 信道質(zhì)量預(yù)測機(jī)制及信道分配策略的研究25-37
• 3.1 信道質(zhì)量預(yù)測機(jī)制研究25-31
• 3.1.1 信道質(zhì)量狀態(tài)25-27
• 3.1.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)27
• 3.1.3 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信道預(yù)測算法27-31
• 3.2 基于蟻群算法的負(fù)載均衡信道分配算法31-36
• 3.2.1 信道分配技術(shù)概述31-32
• 3.2.2 負(fù)載均衡對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)性能的影響32
• 3.2.3 基于蟻群算法的負(fù)載均衡算法32-36
• 3.3 本章小結(jié)36-37
• 第4章 單收發(fā)器多信道MAC協(xié)議的設(shè)計(jì)37-46
• 4.1 單收發(fā)器多信道MAC協(xié)議的總體設(shè)計(jì)思路37-40
• 4.1.1 網(wǎng)絡(luò)模型假設(shè)37
• 4.1.2 單收發(fā)器多信道MAC協(xié)議信道流程設(shè)計(jì)37-38
• 4.1.3 協(xié)議幀格式設(shè)計(jì)38-40
• 4.2 多信道廣播機(jī)制40-41
• 4.2.1 多信道廣播的關(guān)鍵問題40
• 4.2.2 多信道廣播模型40-41
• 4.3 時(shí)間同步機(jī)制41-44
• 4.3.1 時(shí)間同步機(jī)制的基本思想42
• 4.3.2 時(shí)間同步機(jī)制執(zhí)行過程42-44
• 4.4 基于ZigBee的自適應(yīng)C SMA/C A接入機(jī)制設(shè)計(jì)44-45
• 4.5 本章小結(jié)45-46
• 第5章 單收發(fā)器多信道MAC協(xié)議實(shí)驗(yàn)與分析46-59
• 5.1 NS2無線網(wǎng)絡(luò)模擬器46-48
• 5.2 NS2仿真參數(shù)設(shè)置及性能評(píng)價(jià)參數(shù)48-50
• 5.3 性能分析50-54
• 5.3.1 靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)議性能比較與分析50-53
• 5.3.2 動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)議性能比較與分析53-54
• 5.4 硬件實(shí)驗(yàn)性能測試54-58
• 5.4.1 硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)54-56
• 5.4.2 多信道MAC協(xié)議的驗(yàn)證測試56-58
• 5.5 本章小結(jié)58-59
• 第6章 總結(jié)與展望59-61
• 6.1 本文總結(jié)59-60
• 6.2 未來展望60-61
• 參考文獻(xiàn)61-64
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果64-65
• 致謝65

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