面向睡眠調(diào)度下的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議研究.pdf

1、隨著微傳感技術(shù)、射頻技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)日新月異的發(fā)展，信息產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為代表的第三次浪潮，人類社會(huì)將進(jìn)入人與人、人與物、物與物溝通的新時(shí)代，“感知中國(guó)”、“智慧地球”的設(shè)想將會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由傳感器節(jié)點(diǎn)組成，而傳感器節(jié)點(diǎn)攜帶的能量有限，睡眠調(diào)度節(jié)能機(jī)制能顯著減少空閑偵聽和降低能耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。因此，研究基于睡眠調(diào)度節(jié)能機(jī)制的高效數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究重點(diǎn)之一。
　　本文將睡眠調(diào)度

2、節(jié)能機(jī)制對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸帶來(lái)的影響和挑戰(zhàn)作為出發(fā)點(diǎn)，分析睡眠調(diào)度節(jié)能機(jī)制對(duì)數(shù)據(jù)聚集、多跳廣播和端到端通信三種基本數(shù)據(jù)傳輸模式的影響，解決面向動(dòng)態(tài)傳送協(xié)作樹的數(shù)據(jù)聚集時(shí)碰撞和干擾問(wèn)題、面向周期性同步睡眠調(diào)度模式下的多跳廣播問(wèn)題、面向低功耗監(jiān)聽的異步睡眠調(diào)度模式下的多跳廣播問(wèn)題和面向異步睡眠調(diào)度模式下端到端時(shí)延控制問(wèn)題，旨在為睡眠調(diào)度無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用提供能效性的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。本文的主要工作和貢獻(xiàn)包括:
　　(1)針對(duì)動(dòng)態(tài)傳

3、送協(xié)作樹的移動(dòng)目標(biāo)跟蹤應(yīng)用場(chǎng)景，分析了感知事件或目標(biāo)的傳送協(xié)作樹中節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)聚集時(shí)由于爭(zhēng)用無(wú)線共享信道引起的碰撞和干擾問(wèn)題，提出了面向動(dòng)態(tài)傳送協(xié)作樹的動(dòng)態(tài)時(shí)隙分配協(xié)議（簡(jiǎn)稱D-TDMA）。該協(xié)議的核心部分包括了基于傳送協(xié)作樹的自底向上的數(shù)據(jù)聚集模式的節(jié)點(diǎn)Slot分配算法、隨著事件或目標(biāo)移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)管理策略和支持事件或目標(biāo)移動(dòng)的Slot調(diào)整算法。為了體現(xiàn)D-TDMA協(xié)議的性能優(yōu)勢(shì)，采用了單次數(shù)據(jù)聚集的模型，對(duì)能耗和時(shí)延性能進(jìn)行了理論分析與比

4、較，并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。D-TDMA協(xié)議能夠解決了在移動(dòng)目標(biāo)定位和跟蹤的數(shù)據(jù)匯聚過(guò)程中的碰撞和干擾問(wèn)題，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪苄院凸叫浴?br>　　(2)針對(duì)同步睡眠調(diào)度支持下的多跳廣播的代價(jià)高、算法復(fù)雜和難以應(yīng)用于大規(guī)模無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的問(wèn)題，采用了一種動(dòng)態(tài)睡眠調(diào)度調(diào)整的策略，使廣播轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)之間保持一種準(zhǔn)同步的關(guān)系，提出了基于分布式準(zhǔn)同步機(jī)制的可靠廣播協(xié)議（簡(jiǎn)稱DQSB）。該協(xié)議考慮了廣播和數(shù)據(jù)聚集的關(guān)聯(lián)性，在減少?gòu)V播次數(shù)、

5、保證廣播時(shí)延和可靠性性能的同時(shí)，為網(wǎng)絡(luò)中的廣播接收節(jié)點(diǎn)找到了一條無(wú)需睡眠等待時(shí)延的反向數(shù)據(jù)收集的傳輸路徑，用于向廣播源節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)聚集。與現(xiàn)有工作不同的是，DQSB協(xié)議既沒(méi)有假設(shè)同步睡眠調(diào)度或節(jié)點(diǎn)睡眠調(diào)度感知，也沒(méi)有依靠鄰居交換協(xié)議獲取節(jié)點(diǎn)睡眠調(diào)度。另外，本文對(duì)DQSB協(xié)議的假設(shè)條件進(jìn)行了分析，討論了如何獲取合適的參數(shù)值來(lái)保證DQSB的假設(shè)條件。
　　(3)分析了面向低功耗監(jiān)聽的異步睡眠調(diào)度節(jié)能機(jī)制的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多跳廣播問(wèn)題，針對(duì)

6、現(xiàn)有工作采用的單播實(shí)現(xiàn)廣播的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制的廣播代價(jià)較高、碰撞和干擾的概率大，引入了廣播的延遲廣播轉(zhuǎn)發(fā)策略，提出了時(shí)延受限和能量均衡的多跳廣播協(xié)議（簡(jiǎn)稱DCEB）。該協(xié)議考慮了基于能量均衡廣播主干的構(gòu)建和維護(hù)，擺脫了異步睡眠調(diào)度下利用單播實(shí)現(xiàn)廣播的轉(zhuǎn)發(fā)模式，給出了基于時(shí)延需求的廣播轉(zhuǎn)發(fā)判斷條件，包括無(wú)時(shí)延限制和時(shí)延受限報(bào)文的廣播兩種情況。DCEB協(xié)議能夠在保證廣播可靠覆蓋率的同時(shí)，減少?gòu)V播的代價(jià)，滿足廣播時(shí)延性能需求。
　　(4)面向低

7、功耗監(jiān)聽的異步睡眠調(diào)度網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，時(shí)延敏感的應(yīng)用不能忽略睡眠造成的時(shí)延。本文分析了端到端時(shí)延控制的問(wèn)題，提出了基于跨層設(shè)計(jì)的自適應(yīng)占空比控制協(xié)議（簡(jiǎn)稱CLA-DC）。該協(xié)議將端到端的時(shí)延需求問(wèn)題分解為數(shù)據(jù)傳輸路由路徑中單跳時(shí)延需求集合的子問(wèn)題，并基于單跳通信模型，分析了從應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈接層和MAC層提取的信息來(lái)分析沿著多跳傳輸路徑的單跳時(shí)延，得到了影響時(shí)延控制的主要因素，提出了基于跨層設(shè)計(jì)思想的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)睡眠時(shí)間間隔調(diào)整算法。CLA-