基于Quorum的WSN自适应调度机制研究

发布时间：2017-04-02 16:12

  本文关键词：基于Quorum的WSN自适应调度机制研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：WSN是由部署在监控区域内大量集数据采集、处理及通信功能于一体的微型传感器节点组成的一种新型无线网络,由于其组网灵活、动态拓扑性强、不需要固定基础设施支持、成本低等特点被广泛应用于各种监控系统。传感器节点通常采用纽扣电池或干电池提供能量,所以节点能量十分有限。WSN经常被布设在一些人员无法到达的恶劣环境,因而节点能量补给存在困难。因此,通过有效设计节约节点能量损耗、延长网络的使用周期已成为WSN重要研究内容。Quorum系统是一种以“冗余”设计为基础的新型集合系统,研究发现将其应用于WSN能够大幅度减少节点能量损耗、改善网络性能。WSN自适应调度机制是一种根据网络已有策略进行自适应调整节点工作状态的调度机制,它以其优越的动态性、灵活性被广泛应用于WSN。本文针对WSN能量受限的问题,研究了基于Quorum的WSN自适应调度机制,主要创新性工作如下:(1)针对WSN中节点能量消耗不均衡问题,设计了一种能量均衡、高效的非均匀分簇算法—EUCA。新算法采取基于节点剩余能量的簇首选举策略,每轮总是剩余能量高的节点当选簇首;簇首在计算成簇半径时,考虑到自身的剩余能量以及相对基站的距离;在构建簇间转发链路时,综合考虑了邻居簇首的剩余能量、簇成员数目、相对自身的距离以及相对基站的距离等因素,以此来均衡簇间的能量损耗。最后,采用OMNeT++仿真软件进行模拟仿真,验证EUCA的优越性。(2)针对异步传感器节点因周期性休眠而带来的邻居发现困难问题,在EUCA的基础上,设计一种基于Quorum的异步自适应非对称调度机制—3ASM。其核心思想是使节点根据网络的拥塞状况、通信量等自适应地选择质数网络的循环长度,然后在质数网络中采用Quorum选择唤醒工作时隙并通知其邻居节点,从而可以保证每对邻居节点一定能够在有限的时间内完成邻居发现。由于质数网格的非空交叉特性,即使节点时钟不同步,3ASM在不采用时间同步算法的情况下,也能够保证网络的连通性。仿真结果表明,3ASM在可扩展性与节能性方面具有显著优势。(3)针对矿井WSN扩展性强、能量补给存在困难等问题,将EUCA和3ASM应用于矿井WSN,从而提高网络的可扩展性、降低节点的能量损耗,并通过仿真软件验证EUCA和3ASM在矿井WSN的特性。仿真结果表明,EUCA和3ASM能够适应矿井工作环境特点、满足矿井工作需要。
【关键词】：WSN Quorum 自适应 能量高效 非均匀分簇 邻居发现 矿井
【学位授予单位】：河南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN929.5;TP212.9
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 1 绪论11-19
• 1.1 研究背景与研究意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-15
• 1.2.1 WSN的发展概况12-13
• 1.2.2 WSN自适应调度机制研究现状13-15
• 1.3 WSN研究热点及存在的问题15-16
• 1.4 论文主要工作和结构安排16-18
• 1.4.1 本文主要研究内容16-17
• 1.4.2 论文组织结构17-18
• 1.5 本章小结18-19
• 2 无线传感器网络概述19-29
• 2.1 WSN的体系结构及特点19-22
• 2.1.1 WSN体系结构19-21
• 2.1.2 WSN特点21-22
• 2.2 WSN MAC协议概述22-24
• 2.2.1 WSN MAC协议特点22-23
• 2.2.2 WSN MAC协议设计目标23-24
• 2.3 WSN的邻居发现算法24-27
• 2.3.1 同步邻居发现算法24-25
• 2.3.2 异步邻居发现算法25-27
• 2.4 本章小节27-29
• 3 Quorum系统理论特性研究29-37
• 3.1 Quorum系统相关概念29-30
• 3.2 基于Quorum的能量节省协议30-33
• 3.2.1 IEEE 802.11能量节省协议30-31
• 3.2.2 基于Grid Quorum系统的能量节省协议31-33
• 3.3 Quorum系统的应用33-36
• 3.3.1 邻居发现33-34
• 3.3.2 自适应调度机制34-36
• 3.4 本章小结36-37
• 4 一种能量高效的非均匀分簇算法37-47
• 4.1 系统描述38-39
• 4.1.1 网络模型38
• 4.1.2 无线通信模型38
• 4.1.3 算法流程图38-39
• 4.2 算法设计39-42
• 4.2.1 簇的形成40-41
• 4.2.2 簇间转发链路的构建41-42
• 4.3 仿真结果与实验分析42-46
• 4.3.1 仿真工具介绍42-43
• 4.3.2 仿真结果分析43-46
• 4.4 本章小结46-47
• 5 一种基于Quorum的异步自适应非对称调度机制研究47-57
• 5.1 问题的提出47-48
• 5.2 系统模型48-49
• 5.2.1 网络模型48
• 5.2.2 基于质数网格的能量节省模型48-49
• 5.3 3ASM设计49-54
• 5.3.1 非对称性50-51
• 5.3.2 自适应性51-52
• 5.3.3 异步性52-54
• 5.4 仿真结果与分析54-56
• 5.5 本章小结56-57
• 6 无线传感器网络在矿井中的应用57-69
• 6.1 矿井安全监控系统57-60
• 6.1.1 有线监控系统57-58
• 6.1.2 无线、有线联合监控系统58-60
• 6.2 矿井WSN特点60-62
• 6.2.1 矿井WSN拓扑特点60-61
• 6.2.2 矿井WSN能量特点61
• 6.2.3 矿井WSN节点分布特点61-62
• 6.3 EUCA和 3ASM在矿井中的应用62-68
• 6.3.1 EUCA在矿井中的应用62-65
• 6.3.2 3ASM在矿井中的应用65-68
• 6.4 本章小结68-69
• 7 总结与展望69-71
• 7.1 已作工作总结69-70
• 7.2 未来工作展望70-71
• 参考文献71-77
• 作者简介77-79
• 学位论文数据集79

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