面向睡眠調(diào)度下的無線傳感器網(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)、無線通信技術(shù)日新月異的發(fā)展，信息產(chǎn)業(yè)進入了物聯(lián)網(wǎng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為代表的第三次浪潮，人類社會將進入人與人、人與物、物與物溝通的新時代，“感知中國”、“智慧地球”的設(shè)想將會成為現(xiàn)實。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由傳感器節(jié)點組成，而傳感器節(jié)點攜帶的能量有限，睡眠調(diào)度節(jié)能機制能顯著減少空閑偵聽和降低能耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。因此，研究基于睡眠調(diào)度節(jié)能機制的高效數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究重點之一。
　　本文將睡眠調(diào)度

2、節(jié)能機制對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸帶來的影響和挑戰(zhàn)作為出發(fā)點，分析睡眠調(diào)度節(jié)能機制對數(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，解決面向動態(tài)傳送協(xié)作樹的數(shù)據(jù)聚集時碰撞和干擾問題、面向周期性同步睡眠調(diào)度模式下的多跳廣播問題、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題和面向異步睡眠調(diào)度模式下端到端時延控制問題，旨在為睡眠調(diào)度無線傳感器網(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包括:
　　(1)針對動態(tài)傳

3、送協(xié)作樹的移動目標(biāo)跟蹤應(yīng)用場景，分析了感知事件或目標(biāo)的傳送協(xié)作樹中節(jié)點在數(shù)據(jù)聚集時由于爭用無線共享信道引起的碰撞和干擾問題，提出了面向動態(tài)傳送協(xié)作樹的動態(tài)時隙分配協(xié)議（簡稱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Slot分配算法、隨著事件或目標(biāo)移動的節(jié)點管理策略和支持事件或目標(biāo)移動的Slot調(diào)整算法。為了體現(xiàn)D-TDMA協(xié)議的性能優(yōu)勢，采用了單次數(shù)據(jù)聚集的模型，對能耗和時延性能進行了理論分析與比

4、較，并通過仿真實驗進行驗證。D-TDMA協(xié)議能夠解決了在移動目標(biāo)定位和跟蹤的數(shù)據(jù)匯聚過程中的碰撞和干擾問題，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪苄院凸叫浴?br>　　(2)針對同步睡眠調(diào)度支持下的多跳廣播的代價高、算法復(fù)雜和難以應(yīng)用于大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的問題，采用了一種動態(tài)睡眠調(diào)度調(diào)整的策略，使廣播轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點和接收節(jié)點之間保持一種準(zhǔn)同步的關(guān)系，提出了基于分布式準(zhǔn)同步機制的可靠廣播協(xié)議（簡稱DQSB）。該協(xié)議考慮了廣播和數(shù)據(jù)聚集的關(guān)聯(lián)性，在減少廣播次數(shù)、

5、保證廣播時延和可靠性性能的同時，為網(wǎng)絡(luò)中的廣播接收節(jié)點找到了一條無需睡眠等待時延的反向數(shù)據(jù)收集的傳輸路徑，用于向廣播源節(jié)點的數(shù)據(jù)聚集。與現(xiàn)有工作不同的是，DQSB協(xié)議既沒有假設(shè)同步睡眠調(diào)度或節(jié)點睡眠調(diào)度感知，也沒有依靠鄰居交換協(xié)議獲取節(jié)點睡眠調(diào)度。另外，本文對DQSB協(xié)議的假設(shè)條件進行了分析，討論了如何獲取合適的參數(shù)值來保證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)能機制的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多跳廣播問題，針對

6、現(xiàn)有工作采用的單播實現(xiàn)廣播的轉(zhuǎn)發(fā)機制的廣播代價較高、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，提出了時延受限和能量均衡的多跳廣播協(xié)議（簡稱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，擺脫了異步睡眠調(diào)度下利用單播實現(xiàn)廣播的轉(zhuǎn)發(fā)模式，給出了基于時延需求的廣播轉(zhuǎn)發(fā)判斷條件，包括無時延限制和時延受限報文的廣播兩種情況。DCEB協(xié)議能夠在保證廣播可靠覆蓋率的同時，減少廣播的代價，滿足廣播時延性能需求。
　　(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，時延敏感的應(yīng)用不能忽略睡眠造成的時延。本文分析了端到端時延控制的問題，提出了基于跨層設(shè)計的自適應(yīng)占空比控制協(xié)議（簡稱CLA-DC）。該協(xié)議將端到端的時延需求問題分解為數(shù)據(jù)傳輸路由路徑中單跳時延需求集合的子問題，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層提取的信息來分析沿著多跳傳輸路徑的單跳時延，得到了影響時延控制的主要因素，提出了基于跨層設(shè)計思想的動態(tài)自適應(yīng)睡眠時間間隔調(diào)整算法。CLA-