具有不可靠链路的低占空比传感网中低延迟路由协议研究

摘要

低占空比无线传感器网络（Low-duty-cycle Wireless Sensor Networks，简称LDC-WSN）可部署在人类难以进入的恶劣环境中执行长期的监测和目标跟踪等任务，具有广泛的应用前景。在LDC-WSN中，节点大部分时间都处于睡眠状态，只有少量的时间处于工作状态。因此在数据传输过程中，发送节点发送数据时需要等待接收节点苏醒，由此产生睡眠延迟(Sleep Delay)。通常情况下，节点之间的睡眠延迟是数据传输延迟的几十倍或上百倍。因此传统的基于节点持续工作(All-node-active)的路由协议不适用于这种网络。此外，目前大部分已有的针对LDC-WSN的路由协议并没有考虑不可靠链路的情况，因此在实际应用场景中，路由性能会受到很大影响。综上所述，设计不可靠通信环境中低延迟的路由协议是目前研究的一个难点，具有较大的挑战性。
　　本文针对以上问题进行研究，主要开展如下工作:
　　(1)LDC-WSN中能量感知的动态路由算法。目前已有的LDC-WSN路由协议主要关注如何减少端到端延迟，没有充分考虑均衡节点的能量消耗，容易导致数据传输过程中某些节点能量消耗过快而过早死亡。为了解决这个问题，提出了一种基于链路质量和能量感知的路由算法EADR(Energy-aware Dynamic Routing)。每个节点维护一个转发集，转发集中的节点均是链路质量较高的邻居。在进行数据传输时，节点将数据发送给转发集中决策因子高的邻居，而决策因子由转发集中节点的工作/睡眠调度和能量水平来动态决定。仿真实验结果表明，EADR算法能够降低端到端的延迟，提高数据成功发送率，提高网络生命周期。
　　(2)异步低占空比WSN中基于相长干涉的数据收集协议。在基于事件驱动的传感器应用中，节点并不是进行持续的数据收集，而是在有事件发生时才会向Sink发送数据。目前已有的数据收集协议中，为了维护协议的健壮性，节点需要定期维护邻居节点信息，产生较大的控制开销。而在具有不可靠链路LDC-WSN中，由于睡眠延迟和不可靠通信的存在，维护过程将会变得更为复杂。为了解决这个问题，提出了在异步LDC-WSN中基于相长干涉的数据收集协议ADCCI(Asynchronous Duty Cycle and Constructive Interference)。在ADCCI中，节点不需要保存和维护邻居节点信息。当有数据发送时，节点会先与Sink建立多条传输路径，然后传输路径上的节点利用基于相长干涉的并发传输快速且可靠的将数据发送到Sink。仿真实验结果表明，ADCCI协议能够降低端到端延迟，提高数据包接收率，产生更少的控制开销。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．2 无线传感器网络的应用

1．1．3 无线传感器网络体系架构

1．2 低占空比无线传感器网络

1．3 研究内容及主要创新点

1．3．1 研究内容

1．3．2 主要创新点

1．4 论文的组织结构

第二章 低占空比无线传感器网络研究现状

2．1 低占空比机制中节点通信方式

2．1．1 同步通信模式

2．1．2 异步通信模式

2．2 低占空比无线传感器网络路由协议研究

2．2．1 同步路由协议

2．2．2 异步路由协议

2．3 本章小结

第三章 低占空比WSN中能量感知的动态路由算法

3．1 引言

3．2 网络模型及问题描述

3．2．1 网络模型

3．2．2 相关定义

3．2．3 问题描述

3．3 算法设计与分析

3．3．1 基本思想

3．3．2 算法描述

3．3．3 算法分析

3．4 仿真实验与结果分析

3．4．1 节点数量的影响

3．4．2 节点占空比的影响

3．4．3 β参数对算法的影响

3．5 本章小结

第四章 异步低占空比WSN中基于相长干涉的数据收集协议

4．1 引言

4．2 网络模型及问题描述

4．2．1 网络模型

4．2．2 相关定义

4．2．3 问题描述

4．3 协议设计与分析

4．3．1 协议运行过程

4．3．2 协议详细设计

4．3．3 协议分析

4．4 仿真试验与结果分析

4．4．1 数据包接收率与占空比

4．4．2 平均端到端延迟与并发传输延迟

4．4．3 控制开销

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 全文总结

5．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间参加的科研项目

攻读硕士学位期间发表和录用的论文