簇状树形无线传感器网络系统级设计分析.pdf

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1、第３７卷第８期计算机科学Ｖｏｌ．３７Ｎｏ．８２０１０年８月ＣｏｍｐｕｔｅｒＳｃｉｅｎｃｅＡｕｇ２０１０簇状树形无线传感器网络系统级设计分析万亚东王沁张晓彤（北京科技大学信息工程学院北京１０００８３）摘要簇状树形网络在无线传感器网络应用中大量存在，对此种网络的协议进行系统级建模可以有效地提高设计的灵活性，可以针对不同的应用进行快速配置。针对一种工业无线传感器网络协议，提出了一种典型的簇状树形网络的系统级建模方法，并在系统的可靠性、低功耗、时延等不同的方面进行了设计评估。实际工厂的部署和实验表明，采用系统级分析，可以快速高效地对系统的参数进

2、行调整，达到网络设计的需求。关键词无线传感器网络，簇状树形，系统级模型，工业无线应用中图法分类号ＴＰ３９３文献标识码ＡＳｙｓｔｅｍＬｅｖｅｌＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＣｌｕｓｔｅｒ－ｔｒｅｅＢａｓｅｄＷｉｒｅｌｅｓｓＳｅｎｓｏｒＮｅｔｗｏｒｋＤｅｓｉｇｎＷＡＮＹａ－ｄｏｎｇＷＡＮＧＱｉｎＺＨＡＮＧＸｉａｏ－ｔｏｎｇ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８３，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＣｌｕｓｔｅｒ－ｔｒｅｅｂａｓｅｄｔｏ

3、ｐｏｌｏｇｙｉｓｗｉｌｄｌｙｕｓｅｄｉｎｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｔａｒｇｅｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｕｓｉｎｇｔｈｉｓｋｉｎｄｔｏｐｏｌｏｇｙ，ａｓｙｓｔｅｍｌｅｖｅｌａｎａｌｙｓｉｓａｐｐｒｏａｃｈｉｓｎｅｅｄｅｄｆｏｒｔｈｅｆｌｅｘｉｂｌｅａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｔｐｒｏｔｏｃｏｌｄｅｓｉｇｎａｎｄｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔ．ＢａｓｅｄｏｎａＴＤＭＡｉｎｄｕｓｔｒｉａｌＭＡＣｐｒｏｔｏｃｏｌ，ａｓｙｓｔｅｍｌｅｖｅｌｍｏｄｅｌｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄｔｏｒｅｖｅａ

4、ｌｔｈｅｒｅ－ｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｎｅｔｗｏｒｋｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｎｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ｅｎｅｒｇｙｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｄｅｌａｙ．Ｔｈｅｌａｒｇｅｓｃａｌｅｄｅｐｌｏｙｍｅｎｔａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｎｔｈｅｆａｃｔｏｒｙｒｅａｌｆｉｅｌｄｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅａｐｐｒｏａｃｈｃｏｕｌｄｂｅｕｓｅｆｕｌｆｏｒｔｈｅａｄｊｕｓｔｍｅｎｔｏｆｐｒｏｔｏｃｏｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｓａｔｉｓｆｙｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．Ｋ

5、ｅｙｗｏｒｄｓＷｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒｎｅｔｗｏｒｋ，Ｃｌｕｓｔｅｒ－ｔｒｅｅｂａｓｅｄｔｏｐｏｌｏｇｙ，Ｓｙｓｔｅｍｌｅｖｅｌｍｏｄｅｌ，Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｗｉｒｅｌｅｓｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ无线传感器网络的应用越来越广泛，特别是在工业领域，及ＴＤＭＡ／ＦＤＭＡ混合网络协议，对其网络设计的整体目标已有大量的网络应用到监测和控制中。随着无线传感器网络进行分析，为各种不同的应用需求提供设计指导。的发展，网络的拓扑结构也从简单的星型网络到复杂的１簇状树形网络特征ＭＥＳＨ网络逐渐呈现多样化，其中簇状树形网络拓扑在众多［１，２］。簇状树

6、形网簇状树形网络的结构如图１所示。网络由多层的簇构实际应用中由于其简单实用而被大量使用络提供了一种降低网络能耗，便宜网络规模扩展的方法［３］。成，传感节点和簇头构成第一级簇，一级簇头构成第二级簇，针对此种网络，结合工业应用特征，我们在文献［４］中提出了以此类推直到ＳＩＮＫ，从整个网络拓扑上看是一个树状结构。一种混合网络协议，该协议结合ＴＤＭＡ和ＦＤＭＡ，采用时隙数据从传感节点传输到一级簇头，再由一级簇头转发到二级调度和随机接入分别完成周期性数据传输和突发性数据传簇头，依次直到ＳＩＮＫ。输，并在工业监测应用中取得了良好的效果。然而对于同类

7、网络结构，在不同的具体应用中设计需求不同，需要对网络参数进行调整，例如有些应用中主要关注节点的能耗，而有些关注网络的可靠性，有些关注网络延迟，有些是多个方面的综合考虑。基于上述问题，本文在系统设计上采用数学模型对能耗、可靠性、时延等进行建模，通过调整网络参数从而满足不同应用的需求。图１拓扑结构系统级设计在众多的无线传感器网络协议以及应用的设簇状树形拓扑结构便于网络的部署，特别是在工业场合，［５］，但对于一类具体协议的研究比较少［６］，本计中都有所体现合理地将已有的基础设施作为簇头的布放位置，在工艺和流文针对在工业无线传感器网络中常用的簇

8、状树形网络拓扑以程上将同区域的传感节点构成一个簇，便于对数据进行融合到稿日期：２００９－０９－２１返修日期：２００９－１２－１８本文受国家高技术研究发展计划（８６３）（２００７ＡＡ０４１２０１），国家高技术