无线传感器网络若干节能关键技术研究

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无线传感器网络(Wireless Sensor networks,WSN)的节点中,可内置形式多样的传感器,通过多节点协作测量周边环境的理化信号,从而探测到众多相关的客观世界状态,如温度、噪声、震动、压力、物体的移动和污染指标。WSN节点一般由四个部分组成:微控制单元、传感器模块、无线收发装置和电池单元组成,众多节点会以自组织的方式快速形成一个无线网络。节点受到其自身体积、成本等因素的限制,从而导致其处理能力、存储能力、带宽、以及电源供给十分有限。能量效率的问题是WSN急需解决的关键问题之一,因此如何有效降低能耗,延长节点的生命周期从而延长WSN的生命周期,这需要从理论到实践做许多的工作。本文从操作系统和组网的角度,对WSN中的若干节能关键技术展开了相关研究,包括操作系统的若干节能技术,以及组网的若干节能关键技术。介绍了自主研发的节点操作系统TaraxOS1,研究了该系统的低功耗任务调度;研究了与连通支配集相关的组网技术,以支持高效节能的组网和数据传输。主要内容包括:(1)研究了WSN中的节点操作系统,研究设计了TaraxOS操作系统。介绍了TaraxOS的中断、内存管理、调度机制、系统的工作流程以及调度机制,重点研究了基于电池模型的低功耗任务调度算法。(2)提出了用马尔科夫模型优化分布式连通支配集算法。该算法首先使用离散马尔科夫链为节点建立模型,然后根据节点的度和剩余能量进行多轮选举支配点,并依据模型预测的功耗决定本轮的运行时间。(3)提出了基于邻节点信息的分布式连通支配集构造算法。该算法首先利用单跳邻节点的通信覆盖信息,分布式的在全网中求出各节点对应的最小转发集,然后采用在邻节点范围内广播最小转发集信息的方法构造出连通支配集。(4)提出了基于蜂窝模型构建虚拟骨干网的分布式算法。蜂窝结构是高效的二维区域覆盖方法,基于蜂窝模型构建虚拟骨干网的分布式算法,减少了蜂窝结构模型的扭曲度,经仿真实验表明,由本算法构建出的骨干节点数少且稳定,得到的骨干网较为精简,受网络节点密度的影响较小。
摘要第5-7页
ABSTRACT第7-8页
简略字表第9-14页
第一章绪论第14-27页
    1.1 无线传感器网络第14-23页
        1.1.1 无线传感器网络及其应用第14-19页
        1.1.2 无线传感器网络的节能问题第19-21页
        1.1.3 国内外研究现状第21-23页
    1.2 连通支配集第23-24页
    1.3 本文工作第24-25页
    1.4 全文结构第25-27页
第二章无线传感器网络节点操作系统研究第27-50页
    2.1 WSN 节点操作系统概述第27-28页
    2.2 TARAXOS 系统设计第28-34页
        2.2.1 任务调度第30-32页
        2.2.2 中断管理第32-33页
        2.2.3 内存管理第33-34页
    2.3 系统工作流程第34-38页
        2.3.1 初始化第34-35页
        2.3.2 网络自组织第35页
        2.3.3 数据处理第35-38页
    2.4 低功耗任务调度机制第38-46页
        2.4.1 电池模型第38-39页
        2.4.2 周期任务调度模型第39-43页
        2.4.3 两个关键参数第43-46页
    2.5 运行性能分析第46-49页
        2.5.1 数据处理第46-48页
        2.5.2 总体性能第48-49页
    2.6 本章小结第49-50页
第三章用马尔科夫模型优化分布式连通支配集算法第50-67页
    3.1 引言第51页
    3.2 节点的马尔科夫模型第51-57页
        3.2.1 非支配点的模型第53-55页
        3.2.2 支配点模型第55-56页
        3.2.3 节点的能量消耗第56-57页
    3.3 EMISB 算法第57-60页
    3.4 仿真第60-66页
        3.4.1 EMISB 算法和 MISB 算法的比较第60-64页
        3.4.2 EMISB 算法和其它分簇算法的比较第64-66页
    3.5 本章小结第66-67页
第四章基于邻节点信息的分布式连通支配集构造算法第67-82页
    4.1 引言第67页
    4.2 符号说明第67-68页
    4.3 问题分析第68-69页
    4.4 算法实现第69-77页
        4.4.1 求解问题 A第69-75页
        4.4.2 求解问题 B第75-77页
    4.5 算法分析第77-78页
        4.5.1 正确性证明第77页
        4.5.2 复杂度分析第77页
        4.5.3 性能界限分析第77-78页
    4.6 仿真与结果分析第78-81页
    4.7 本章小结第81-82页
第五章基于蜂窝模型构建虚拟骨干网的分布式算法第82-93页
    5.1 名词解释及符号说明第82-83页
    5.2 问题分析第83-88页
        5.2.1 问题定义及解决办法第83-84页
        5.2.2 实现方案第84-87页
        5.2.3 可行性分析第87-88页
    5.3 DBC 算法第88-90页
        5.3.1 起始节点算法第88页
        5.3.2 准骨干节点算法第88-89页
        5.3.3 算法复杂度分析第89-90页
    5.4 仿真与结果分析第90-92页
    5.5 本章小结第92-93页
第六章总结与展望第93-100页
    6.1 工作总结第93-95页
    6.2 未来工作第95-100页
参考文献第100-109页
致谢第109-111页
攻博期间取得的研究成果第111-114页
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