无线自组网跨层协议设计及网内数据融合研究

作     者：杨雨桐 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周亮

授予年度：2023年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 0802[工学-机械工程] 

主      题：无线传感器网络 分级无线自组网结构 跨层协议 数据融合 

摘      要：最近几年以来,伴随着无线通信技术的飞速进步,无线传感器网络相关技术也在不断地革新与普及,越来越多的被应用于各种场景,比如室内外环境监测、智能农业以及工业设备状态监测等等。但在一些特定的野外环境监测的场景中,如电网、河流监测,传感器与信号传输设备分布于近似带状的地理区域,这种场景下对无线自组网的网络结构、组网方式、数据传输提出了更高的要求,需要兼顾整体网络的低功耗、数据传输的稳定性与Qo S(Quality of Service,Qo S)等多种指标。因此本文针对这类场景,构建了无线自组网的分级结构,并在这个结构基础上进行了无线自组网跨层协议以及网内传感器数据的数据融合算法的设计。本文首先通过对不同的无线自组网结构的分析与比较,总结了不同结构网络的优势与不足,构建出了分簇式组网与链式组网相结合的分级无线自组网结构,并针对该类网络结构进行了跨层优化。其中跨层优化主要包括以下两个方面:第一是在物理层与链路层通过对通信信道中丢包率、时延、误码率等参数进行分析,实时地对每个节点的发射功率、数据速率等物理层与链路层参数进行自适应调整;第二是针对该结构下簇头节点存在的数据拥塞问题,通过将物理层等参数引入到网络层的副簇头选举过程中,从而依靠副簇头建立备用路径来缓解数据拥塞。并且通过仿真结果可知,其不仅可以降低数据拥塞率,而且可以提高网络寿命并改善有效周期内的信息质量。基于前述构建的网络结构,本文进一步研究了无线自组网网内的数据融合算法,以达到减少簇间通信的数据量从而降低能耗的作用。设计了一种基于D-S证据理论的优化算法,此方法从原始数据源筛选数据、证据源修正冲突证据和合成规则三个角度优化,提高了判断结果的准确性。并且本文提出的优化算法的计算复杂度较低,当部署在对功耗与时延要求高的场景时具备更大的优势。最后,基于前述的跨层设计及数据融合算法,本文设计了一套无线自组网跨层通信协议,并对无线自组网跨层通信协议以及网内数据融合算法进行了整体的性能评估与结果分析,结果表明本文提出的协议与算法可以有效地平衡无线自组网运行过程中节点的能量消耗,从而提高整体网络的寿命和有效周期内的信息质量。