基于元胞自动机的Zigbee+WLAN异构网络节能技术研究

【摘要】：无线传感器网络（Wireless Sensor Networks, WSNs）是由部署在待检测区域内的大量无线网络传感节点组成的，节点通过无线通信方式形成一个多跳自组织网络系统。无线传感网络的实现目标是收集检测区域内被监测对象的各类相关数据，并对这些数据进行处理后，将监测内容发送给观察者。WSN具有能量消耗低、节点开销少、拓扑控制方式多样的特点，因此在环境监测、国家安全、抢险救灾、空间探索、危险区域远程控制等领域具有重大的应用价值，引起了军界、工业界和学术界的高度关注。 元胞自动机（Cellular Automata, CA）是定义在一个具有离散、有限状态的由元胞组成的空间上，元胞按照一定局部规则在离散时间维度上同步演化的动力学系统[1][2]。由于元胞自动机的设计思想本身来源于生物学自繁殖的思想，因此它在生物学上的应用非常自然而广泛。继在生物领域得到广泛应用之后，元胞自动机又被推广应用到社会、经济、军事和科学研究的各个领域。 本论文中，将元胞自动机的设计思想融合到无线传感器网络协议设计中，针对Zigbee+WLAN异构网络的特点设计了两种元胞自动机机制，两种机制分别适用于Zigbee子网和WLAN子网。使用元胞自动机机制的这两种网络节点可以收集通信过程中捎带的元胞自动机信息，根据自身节点的元胞自动机状态转换机制进行动态的休眠/工作状态切换。使用元胞自动机机制的网络协议的核心特点在于自组织、无需外力作用、没有额外的传输开销。在Zigbee+WLAN异构无线传感器网络中， Zigbee网络主要负责数据采集，节点冗余配置数量多；WLAN网络负责数据中继，冗余配置数量少，传输可靠性要求高。针对这样的网络差异和需求的不同，设计的两种休眠调度模式也不相同。本文最后使用NS2仿真软件，编写相应模块及相关函数，对现有节点模型进行拓展。仿真首先验证了该机制的正确性。随后针对项目实际应用拓扑和普遍拓扑进行了节能效果仿真和分析，验证了元胞自动机使网络节点能够自组织切换工作状态，使两种子网分别节能，最终达到网络整体节能、延长整个网络生存期，提高数据传输能量利用率的目的。 【关键词】：元胞自动机 无线传感器网络 Zigbee+WLAN
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TN92;TN925.93
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-17
• 1.1 无线传感器网络技术研究背景11-13
• 1.2 元胞自动机概述13-14
• 1.3 本文主要工作14-15
• 1.4 本论文的研究思路15-17
• 第二章 ZIGBEE、WLAN 网络节能及元胞自动机相关研究17-24
• 2.1 异构传感器网络节能技术概要17-18
• 2.2 元胞自动机技术研究概要18
• 2.3 ZIGBEE 网络及技术概要18-21
• 2.3.1 Zigbee 网络简述18-20
• 2.3.2 Zigbee 网络节能相关研究及分析20-21
• 2.4 WLAN 网络及技术概要21-24
• 2.4.1 WLAN 网络技术概述21-22
• 2.4.2 WLAN 网络节能相关研究22-24
• 第三章 基于元胞自动机的无线传感器网络节能总体方案设计24-30
• 3.1 无线传感器网络节能需求分析24-26
• 3.1.1 项目背景24-26
• 3.1.2 项目需求26
• 3.2 基于元胞自动机的 ZIGBEE+WLAN 异构网络节能设计26-30
• 3.2.1 整体设计思路26-27
• 3.2.2 Zigbee 子网节能设计思路27-28
• 3.2.3 WLAN 子网设计思路28-30
• 第四章 基于元胞自动机的 ZIGBEE+WLAN 网络节能细化设计30-41
• 4.1 基于元胞自动机的无线网络节能机制基本思想30-31
• 4.2 基于元胞自动机的 ZIGBEE 网络节能机制设计31-34
• 4.2.1 基于元胞自动机的 Zigbee 网络节能机制基本思想31-32
• 4.2.2 元胞自动机状态转换机制设计32-33
• 4.2.3 元胞自动机层工作流程示例33-34
• 4.3 基于元胞自动机的 WLAN 网络节能机制设计34-40
• 4.3.1 基于元胞自动机的 WLAN 网络节能机制基本思想34-37
• 4.3.2 节点等级信息获取过程37-38
• 4.3.3 元胞自动机状态转换机制设计38-39
• 4.3.4 休眠与唤醒过程39-40
• 4.4 总结40-41
• 第五章 仿真与分析41-66
• 5.1 ZIGBEE+WLAN 异构网络的元胞自动机机制仿真实现41-47
• 5.1.1 基于元胞自动机的 Zigbee+WLAN 异构网络仿真实现概要41-42
• 5.1.2 基于元胞自动机的 Zigbee 节能机制实现42-43
• 5.1.3 基于元胞自动机的 WLAN 节能机制实现43-45
• 5.1.4 基于元胞自动机的 Zigbee+WLAN 双接口节点实现45-47
• 5.2 基于 NS2 的网络仿真正确性验证47-50
• 5.2.1 仿真场景设计47-48
• 5.2.2 仿真参数设置48-49
• 5.2.3 验证性仿真结果及分析49-50
• 5.3 基于 NS2 的节能机制仿真及结果分析50-65
• 5.3.1 项目实际应用场景拓扑下的仿真50-58
• 5.3.2 普遍应用网络场景拓扑下的仿真58-65
• 5.4 结论65-66
• 第六章 总结66-69
• 6.1 本文的主要工作66-67
• 6.2 下一步工作的展望67-69
• 致谢69-70
• 参考文献70-73
• 硕士期间取得的研究成果73-74

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