WSN中睡眠/唤醒节能策略的系统建模与性能分析

【摘要】：无线传感器网络WSN (Wireless Sensor Network)的能量资源是非常有限的,IEEE 802.15.4为无线传感器网络提供了一种低速率、低成本和低功耗的无线通信标准。实际应用中,传感器节点体积小且由电池供电,节能问题是无线传感器网络的研究热点之一。本文基于无线传感器网络节点的通信过程,对IEEE 802.15.4的周期性睡眠/唤醒机制进行系统建模与性能分析。 首先,考虑节点从休眠模式转换到激活模式时,功率放大器的启动过程将消耗一定的能量,同时,也会带来额外的系统延迟,将该启动过程抽象为启动期,将周期性的睡眠/唤醒机制中的休眠模式抽象为休假期,结合现代通信的数字化本质,建立带有启动期及休假期的离散时间排队模型。 其次,针对无线传感器网络节点的单跳通信过程,考虑到达过程的无后效性及突发性,服务过程的无后效性及一般性,建立带有启动期及休假期的Geo/Geo/1、Geom/G/1及Geomξ/G/1排队模型。给出系统切换率、数据帧平均响应时间及系统功耗的解析表达式。通过数值结果及系统仿真,定量分析无线传感器网络单跳通信过程中星座体积对系统性能的影响。 然后,基于无线传感器网络的分簇结构,考虑直线等间距的簇间多跳传输网络,建立带有启动期及休假期的串联排队网络模型,给出相关性能指标的解析表达式。通过数值结果及系统仿真,定量分析簇间多跳通信过程中跳数对系统性能的影响。 最后,针对无线传感器网络单跳通信过程,综合考虑平均响应时间与系统功耗,构造成本函数,给出星座体积的优化设置方案;针对无线传感器网络簇间多跳的传输网络,折衷考虑多个系统性能指标,构造成本函数,给出跳数的优化设置方案。 【关键词】：无线传感器网络 IEEE 802.15.4 睡眠/唤醒机制 单跳通信 多跳通信 离散时间休假排队模型
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TN929.5;TP212.9
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第1章 绪论8-14
• 1.1 研究背景与研究意义8-9
• 1.2 国内外研究现状9-12
• 1.3 主要研究内容12-13
• 1.4 论文组织结构13-14
• 第2章 基础知识概述14-24
• 2.1 IEEE 802.15.4 标准14-17
• 2.1.1 IEEE 802.15.4 物理层15-16
• 2.1.2 IEEE 802.15.4 MAC 层16-17
• 2.2 WSN 的节点结构与能量消耗17-19
• 2.2.1 传感器节点结构17-18
• 2.2.2 传感器节点能量消耗18-19
• 2.3 WSN 的节能策略19-21
• 2.3.1 节点休眠机制20
• 2.3.2 睡眠/唤醒机制20-21
• 2.4 相关参数说明21-23
• 2.5 本章小结23-24
• 第3章 基于单重休假睡眠/唤醒机制的系统建模与性能分析24-32
• 3.1 单重休假Geo/Geo/1 排队模型24-25
• 3.1.1 排队模型的建立24-25
• 3.1.2 相关的符号表示25
• 3.2 系统稳态分析25-27
• 3.2.1 队长及等待时间25-26
• 3.2.2 系统忙循环26-27
• 3.3 Geo/Geo/1 下睡眠/唤醒机制的性能指标27-28
• 3.3.1 系统切换率27
• 3.3.2 数据帧平均响应时间27-28
• 3.3.3 系统功耗28
• 3.4 数值结果与系统优化28-31
• 3.4.1 数值结果28-30
• 3.4.2 星座体积优化30-31
• 3.5 本章小结31-32
• 第4章 基于多重休假睡眠/唤醒机制的系统建模与性能分析32-50
• 4.1 多重休假排队模型的建立32-33
• 4.2 无后效业务下睡眠/唤醒机制的性能分析33-38
• 4.2.1 多重休假Geom/G/1 排队模型的建立33-34
• 4.2.2 系统稳态分析34-37
• 4.2.3 睡眠/唤醒机制的性能指标37-38
• 4.3 无后效业务下的系统仿真与系统优化38-41
• 4.3.1 数值结果及仿真38-40
• 4.3.2 星座体积优化40-41
• 4.4 突发业务下睡眠/唤醒机制的性能分析41-46
• 4.4.1 多重休假Geom~ξ/G/1 排队模型的建立41-42
• 4.4.2 系统稳态分析42-45
• 4.4.3 睡眠/唤醒机制的性能指标45-46
• 4.5 突发业务下的数值结果与系统仿真46-48
• 4.6 本章小结48-50
• 第5章 基于串联排队网络的睡眠/唤醒机制的系统建模与性能分析50-60
• 5.1 簇间多跳传输网络50-51
• 5.2 串联排队网络模型建立51-52
• 5.3 源节点处的排队分析52-54
• 5.4 串联排队网络的稳态分析及系统性能54-56
• 5.4.1 队长及等待时间54-55
• 5.4.2 系统性能指标55-56
• 5.5 系统仿真与系统优化56-59
• 5.5.1 数值结果及仿真56-58
• 5.5.2 跳数优化58-59
• 5.6 本章小结59-60
• 结论60-62
• 参考文献62-66
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果66-67
• 致谢67-68
• 作者简介68

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