论文总字数：26083字

摘 要

无线传感器网络对环境数据进行实时监测，协同感知，采集，分析与处理，并最终通过无线信道传送给用户，应用前景十分广泛。然而，能量有限是无线传感器网络设计的最大制约因素，因此研究和改进具有节能功能的通信协议具有十分重要的意义。近年来的研究表明，无线链路并非独立的，从一个源节点到众多接收节点之间的数据包传输具有相关性，这一现象对网络通信协议的性能具有重要的影响，例如广播、组播、机会转发路由以及网络编码等。

本文主要研究链路相关性感知的广播算法，分析引入的CorLayer链路拉黑层，并通过Matlab仿真的方法进行性能分析。具体研究工作如下：

首先，深入理解传统的基于转发节点选择的广播算法的工作原理以及链路相关性的基本概念与衡量指标。其次，分析和研究无线链路相关性感知的广播算法，CorLayer链路拉黑层设计过程中的计算模型，拉黑规则等。链路拉黑是指根据一定的计算规则在不断开网络通信的前提下断开某两个邻居节点之间的链路，使它们之间具有无穷跳的距离，即不进行互相通信。最后，通过Matlab分析引入CorLayer链路拉黑层后的广播算法的性能。仿真结果表明了CorLayer链路拉黑层可以应用到多种广播协议中，显著提高协议的效率。

关键词：无线通信 广播算法 链路相关性 性能分析

Research on efficient wireless link correlation aware broadcast algorithm

Abstract

Wireless sensor networks (WSN) aims at real-time monitoring, collaborative sensing, gathering, analyzing and processing data of the environment, then finally transmitting to the user through the wireless channel, and it has a broad range of applications. However, due to its biggest constraint is the limit of energy, so it is of the great importance to study and improve the communication protocol with the function of saving energy. Recent work shows that wireless links are not independent and transmissions from a transmitter to multiple receivers are correlated which has profound implications for performance of network protocols such as broadcast, multi-cast, opportunistic forwarding and network coding.

This thesis focus on the study of broadcast protocol under link correlation, and analysis of introduced blacklisting layer--CorLayer. And this thesis analyzes the performance of broadcast protocol embedded CorLayer by using Matlab simulation. Specifically, our contributions are as follows:

First, our work begins with deep understanding of the principle of traditional broadcast algorithm based on the selection of forwarder and the understanding of the basic concept and metric of link correlation. Secondly, study and analyze broadcast algorithm based on wireless link correlation, and the computation model and the technology of blacklisting during the design of CorLayer. Blacklisting rule here refers to disconnect two neighbor nodes on the premise of keeping the network stay connected according to a certain computation rule, making them not communicate with each other. Finally, we analyze the performance of the broadcast algorithm after integrating the CorLayer by doing simulation on the Matlab platform. The simulation result shows that CorLayer has broad applicability and effectiveness.

Keywords: wireless communication; broadcast protocol; link correlation; performance analysis

目录

摘 要 I

Abstract II

目录 III

第一章 绪论 1

1.1课题背景及意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3论文结构 3

第二章 相关工作 5

2.1广播算法 5

2.1.1基于多点中继器的广播算法 5

2.1.2基于Pruning的DP算法 6

2.1.3基于簇的广播算法 7

2.2链路相关性 8

2.2.1链路相关性的影响因素 8

2.2.2链路相关性的衡量指标 8

2.3本章小结 12

第三章 链路相关性感知的广播算法研究 13

3.1 相关术语 13

3.1.1伯努利概率模型 13

3.1.2数学期望的概念 14

3.2期望传输次数的计算 14

3.2.1期望传输次数的计算模型 14

3.2.2期望传输次数近似值的计算 17

3.3设计原则 20

3.4 链路拉黑 22

3.4.1.网络连通性检测 22

3.4.2.高效的链路拉黑规则 23

3.5 CorLayer层的嵌入 24

3.6本章小结 26

第四章 仿真实验与性能分析 27

4.1性能标准 27

4.2仿真设计 27

4.2.1仿真场景设计 27

4.2.2 仿真的广播算法 28

4.3不同链路拉黑规则的影响 29

4.4链路质量的影响 31

4.5网络密度的影响 33

4.6本章小结 34

第五章 总结与展望 35

5.1本文主要工作 35

5.2进一步的展望 36

参考文献 37

致谢 39

第一章 绪论

1.1课题背景及意义

无线传感器网络（Wireless Sensor Network）是一个由部署在监测环境中的节点构成的多跳自组织网络系统。传感器节点之间利用无线射频技术进行通信，目的是实时监测，协同感知，采集，分析和处理监测区域中的数据并进行数据传递。

无线传感器网络系统的基本构成元素有：1）传感器节点，2）汇聚节点，3）管理节点。在无线传感器网络中，首先借助手动，飞机或者火箭等随机地将数量充足的传感器节点安放在监测环境内部或者相邻位置，然后不同的节点之间进行数据转发或者处理并将数据传送给汇点，最后借助Internet，移动通信网或者卫星等传递到管理节点。用户能够通过与其交互的管理节点进行网络配置管理。无线传感器网络系统体系结构如图1-1所示。

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