作者:
贺康
关键词:
无线传感器网络(WSN)； 路由协议； 自动抄表系统(AMRS)； 概率模型检查； MATLAB仿真
摘要:
随着传感器技术、嵌入式技术、无线通信技术、微电子技术等的发展，无线传感器网络（WSN，Wireless Sensor Network）得到了广泛而深入的应用。鉴于WSN的网络特征，它可以作为自动抄表系统（AMRS，Automatic Meter ReadingSystem）的底层通信网络，称为基于WSN的抄表系统，极大地改善了传统上门抄表的弊端。WSN的通信协议栈与Internet的协议栈类似，其中，网络层的功能主要是由路由协议完成的。数据收集协议是路由协议的一种，适用于多对一或一对多的数据传输模型，AMRS中就是利用数据收集协议来获取所有节点的数据。为基于WSN的抄表系统设计的数据收集协议，除应具有简单、高效、节能的特点，还应满足AMRS的特点和应用需求。PEADG（Power Efficient Algorithm for Data Gathering）协议是一个基于WSN的抄表系统数据收集协议，它不仅具有简单、高效和节能的特点，而且其对AMRS的假设与本文考虑的AMRS的特点相同，如：节点是静止的，节点的能力有限等。PEADG协议建立的网络拓扑结构由多棵树组成，多个树根节点分担了网络负载，有效地延长了网络生命期。首先，为了分析PEADG协议的概率行为，并使得分析结果基于精确的数学计算，本文使用了概率模型检查技术，借助概率模型检查器PRISM对PEADG协议进行了分析。然后，针对PEADG协议存在的一些问题，如：没有考虑多棵树上节点个数的平衡等，本文对PEADG协议进行了改进，并使用MATLAB工具进行仿真实验。最后，本文还开发了支持PEADG协议分析的代码生成工具。主要的研究成果有：（1）为PEADG协议生成的拓扑结构中的节点分别构建概率自动机模型（PA，Probabilistic Automata），并提出了PA模型到离散时间马尔可夫链模型（DTMC，Discrete Time Markov Chains）的转换规则，进而使用PRISM工具建立和分析DTMC模型。（2）由于（概率）模型检查技术固有的状态空间爆炸问题，使用（1）中的方法不能为大规模的网络建立DTMC模型，故本文提出了一种改进的PEADG协议建模和分析方法，它可为大规模网络建立和分析DTMC模型。可分析的属性包括：完成第一轮数据收集的概率、完成第一轮数据收集时节点的能量消耗、可完成的数据收集轮数等。（3）改进PEADG协议。PEADG协议存在一些问题，如：没有考虑拓扑结构中多棵树上节点个数的平衡等。本文对PEADG协议进行了改进，并使用MATLAB工具进行仿真实验，仿真实验结果显示，改进后的PEADG协议有更长的网络生命期。（4）开发了支持PEADG协议分析的代码生成工具。该工具不仅可以根据接收的协议参数生成PEADG协议的MATLAB代码，而且可根据接收的含PEADG协议拓扑信息的XML文件生成PRISM代码。该工具减少了分析PEADG协议所需的时间。
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