无线传感器网络协议栈与可靠通信技术的研究

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无线传感器网络(WirelessSensorNetworks,WSN)是近年来无线通信应用领域的一个研究热点。ZigBee被认为是无线传感器网络的主流协议,对于基于ZigBee的无线传感器网络协议栈,国内并没有完全开源的软件平台,国内用户只能使用国外提供的ZigBee开发平台,而且这些平台里的很多功能封装成库、价格昂贵,基于此,本文对ZigBee协议栈的软件实现做了深入研究;同时由于无线传感器网络具有节点密度大、节点能量有限、网络拓扑动态变化、多跳数据传输、无线链路带宽受限等特点,使得可靠通信成为一个值得探讨的问题,在此背景下,本文还对无线传感器网络的可靠通信技术进行了深入研究,主要从抗干扰技术和拥塞控制技术两个方面来着手。   论文首先介绍了与无线传感器网络相关的基本概念、无线传感器网络中的抗干扰技术和拥塞控制技术的研究现状,为本文下面的内容做好基础知识的铺垫。   其次,研究了ZigBee协议栈的软件实现。首先介绍了ZigBee协议栈的总体设计,包括对ZigBee协议栈体系结构的简介、实现该协议栈用到的硬件平台和软件环境、协议栈的总体设计思路。其次,介绍了ZigBee协议栈中的MAC层的软件实现,详细的介绍了实现各个功能的步骤。最后用测试的方法验证了所实现的协议栈软件的正确性。   然后,研究了WiFi共存时ZigBee的干扰问题。首先对ZigBee自身采取的抗干扰技术进行分析,指出这些技术并不能有效的抵抗同频干扰。其次分析了现有的一种基于频率捷变的抗干扰技术,指出其不足。然后提出了一种新的抗干扰方法:基于频率捷变的分布式自适应抗干扰技术,它包括干扰检测和干扰避免两个部分,针对干扰程度的不同采取不同的干扰避免流程,采用分布式的干扰避免方法使得干扰区节点和非干扰区节点工作在不同的信道上。最后对所提出的方法进行仿真验证,仿真结果表明该方法能有效的避免干扰,保证网络通信的可靠性。   最后,研究了无线传感器网络的拥塞问题。首先对两种现有的拥塞控制方法进行介绍,指出其不足。然后基于现有技术,提出了一种基于优先级的可靠拥塞控制方法,它分为拥塞检测、拥塞避免两个部分,拥塞检测采用缓存占用率和拥塞度相结合的方法保证及时检测到拥塞,为了保证网络的公平性,拥塞避免机制采用基于优先级的加权速率分配和流量调度相结合的方法,为了保证网络的可靠性,采用sink节点反馈的方式调节速率。最后对所提方法进行仿真验证,证明它很好的解除了拥塞,保证了网络的可靠性。
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