骨架型拓扑结构的无线传感器网络研究

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1、摘要无线传感器网络是微机电系统、通信、传感器、网络等技术结合的产物，具有广泛的应用领域和使用价值。然而，过多的应用场景如果都综合在一个统一的网络架构上，势必使得传感器网络的设计过于复杂化，造成产品的价格提升，从而与传感器网络的设计初衷背道而驰。不同的传感器网络应用决定了不同的网络拓扑结构，也决定了网络中各个节点的工作方式。针对具体的网络应用来设计网络的通信协议，可以把网络的结构信息得到更好的利用，从而达到更好的系统性能，而且还可以控制网络的成本。本着上述思想，本文着重研究无线传感器网络在楼层以及公路环境下的应用，为这些应用建立了骨架型拓扑结构的无线传感器网络模

2、型。该模型只需要覆盖交叉的直线，而不是整个平面。全篇围绕着该模型，设计无线传感器网络技术中的核心内容：节点放置方法、MAC算法、网络初始化方法以及路由算法。本文提出了采用节点离散功率模型来为网络节点建模，以此来实现最优的节点放置方式，从而减小网络能耗，并延长网络持续时间。本文的仿真结果表明，与常用的节点功率模型相比，该模型可以降低网络能耗达6%，并延长17%的网络持续时间。在现有的S-MAC协议基础上，利用网络拓扑结构，本文提出了流水线型S-MAC（PS-MAC）协议。该协议继承了S-MAC优秀的节能性能，同时减小了S-MAC引入的网络传输延时。本文还设计了快

3、速的网络初始化流程，该过程在为网络节点分配ID时，也同时建立了网络节点的路由信息，从而使得本文设计的路由协议很简单。本文提出了骨架型拓扑结构的无线传感器网络，并且为该网络设计了一系列的核心算法，为该类网络的实施提供了理论基础。关键字：无线传感器网络;节点离散功率模型;节点放置;网络初始化;S-MAC;PS-MACIAbstractTheWirelessSensorNetworks(WSN)istheproductofthecombinationofMEMS,communication,sensorandnetworktechnologies.Itisfores

4、eenandbeingprovedthatWSNwouldbewidelyusedinallareas.However,beingwidelyusedinvariousareasalsocomplicatesthedesignofWSN,consequentlyincreasesthepricesofWSNapplicationproducts.ThisseemstoberunningawayfromtheinitiationofWSN,whichistomakeitcheapandconvenient.DifferentapplicationsofWSNre

5、quiredifferentnetworktopologiesandnodeworkingmodes.Weneedtodesignnetworkprotocolsfordifferentapplicationstotakeuseofthenetworktopology,soastoachievebetternetworkperformanceandlowerproductprices.Inthispaper,wekeepabovepointsinmind,andfocusedononlyonescenario:theapplicationofWSNformon

6、itoringariveroraroad,whichneedsnofullcoverageofaplane,butasetoflines.WemodelthiskindofnetworksasWirelessSensorNetworkswithSkelenton-basedNetworkTopology,andresearchthenodeplacementalgorithm,MACalgorithm,routingalgorithmandnetworkinitializationmethods.WeintroducethenewDiscretePowerMo

7、delforSensorNodestofindthemostoptimalnodeplacementmethodtoreducenetworkenergyconsumptionandincreasenetworklifetime.Oursimulationresultsshowthatthenetworkusingournodemodelreducesenergyconsumptionofnetworkby7%comparedwithnormalsensornodemodel,andincreasesnetworklifetimeby16%.Basedonth

8、ecurrentS-MACprotoc