异步无线传感网的跨层网络协议研究

论文摘要

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks, WSN）是由大量部署在监测区域内具有感知、计算、存储和无线通信能力的微型节点组成的自组织分布式网络。由于不需要基础设施,易于快速部署,且可以完成大范围、长期的监测任务,无线传感器网络有着广阔的应用前景。然而,无线传感器网络的复杂性极高,目前尚未完全研究出可用的自组网技术对其进行高效管理,使之能长期有效地完成感知任务。能量受限已成为制约大范围、长期部署WSN的最主要因素之一。对节点进行睡眠调度能有效减少空闲侦听和降低能耗。根据是否需要时钟同步,采用睡眠调度的MAC （Media Access Control）协议大致可以分为同步调度和异步调度两类。由于没有周期性的同步负担,即使在相同时延限制条件下,异步调度MAC协议在低流量网络中的能量效率比同步调度更高。然而在异步调度MAC协议中,由于发送节点不知道接收节点的醒来时间,发送数据时会产生额外的等待代价,具体包括等待时延和等待能耗,这会对上层路由造成重大影响。本文运用跨层设计的方法,设计了更加高效的异步调度MAC协议,并为异步调度的网络提出了高效的无状态路由协议。本文主要的内容和创新点主要包括以下四个方面:1.提出了一种机会合作的异步调度MAC协议（OC-MAC: OpportunisticCooperation in Low Duty Cycle Wireless Sensor Networks）:如果数据包较小而睡眠调度的占空比较低,等待能耗甚至可能高于传输能耗。在OC-MAC协议中,处于等待状态的相邻发送节点利用路由层信息进行合作通信。通过将数据包委托给代理节点,发送节点可以提前进入睡眠状态。合作通信不仅能降低等待能耗和等待时延,而且还有助于减少相邻节点间的干扰和冲突。虽然合作通信仅能在竞争和级联两种场景下进行,但它本身几乎并不带来额外开销。实验数据和仿真结果均表明利用路由层信息进行合作通信的OC-MAC比现有异步调度MAC协议的性能更好。2.为异步调度的网络建立了更加合理的虚拟坐标系统,包括时延坐标和能耗坐标,并提出了基于能耗坐标的跨层路由协议（EEMR: Energy-E?cientIntegrated MAC and Routing Protocol）:在地理或跳数坐标的帮助下,传统的无状态路由协议通过局部的贪婪转发策略建立源节点到目地节点的最短路径。由于没有考虑实际无线信道的传播特性和睡眠调度的影响,它们选择的地理最短路径不一定是能耗或者时延最低路径。本文将异步网络中的链路代价分为传输代价和等待代价,并建立能反映实际路径代价的虚拟坐标,具体包括时延和能耗坐标。由于链路代价以及网络拓扑会动态变化,采用低开销的基于数据驱动的逐跳反馈机制更新坐标。接着,提出了基于能耗坐标的跨层无状态路由协议,发送节点综合邻居节点的能耗坐标以及醒来时间,动态地选择最优的转发节点,最小化转发路径的总能耗。仿真结果表明基于跨层设计的EEMR协议在异步网络中的能量效率比传统的地理位置路由协议更高。3.基于上述的虚拟坐标,为时延敏感性网络提出了一种时延受限且能量高效的路由协议（DCEER: Delay-Constrained and Energy-E?cient RoutingProtocol）,DCEER协议对EEMR协议作了如下改进:首先,DCEER协议以最大的端到端时延不超过给定上限为前提,最优化能量效率。其次,EEMR协议假设发送节点知道所有邻居节点的当前坐标,但在数据量较低的网络中,本地存储的邻居节点坐标并不准确,这会影响转发路径的能量效率。DCEER协议统计邻居节点的坐标分布,将最优转发节点的过程建模为马尔科夫过程,并运用最优停止理论控制转发节点的选举过程。因而,DCEER协议对动态坐标有更强的适应性。此外,根据数据流量对所有节点的睡眠时间进行联合优化调度,平衡节点能耗,解决多跳网络普遍存在的“热点”问题,进一步延长网络寿命。4.本文也提出了一种自适应的分布式分簇协议（ADCS:Adaptive andDistributed Clustering Scheme）:分簇协议是早期研究中为周期汇报型传感器网络提出的一类基于同步调度的节能组网协议,涉及MAC和路由两层协议。分簇协议是将网络中的节点分成若干组,每组选举出簇头节点组成骨干网络,其他节点只与簇头进行通信,并按照簇头分配的时隙进行睡眠调度。ADCS协议改进了簇头选举算法和成簇算法。选举簇头时,综合考虑节点剩余能量以及邻居节点度;形成簇结构时,非簇头节点根据通信距离以及簇的负载选择簇加入。ADCS协议能自适应网络中的节点分布,生成合理的簇结构,平衡节点能耗,延长网络寿命。在均匀分布和非均匀分布的网络中,ADCS协议的网络寿命比典型分簇协议LEACH分别延长了40%和75%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 表格
• 插图
• 主要符号对照表
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 基本概念
• 1.1.2 基本特点
• 1.2 研究意义
• 1.3 跨层网络协议
• 1.4 主要工作和文章结构
• 第二章 相关研究
• 2.1 链路模型
• 2.2 基于睡眠调度的MAC 协议
• 2.2.1 同步调度的MAC 协议
• 2.2.2 异步调度的MAC 协议
• 2.2.3 按需调度的MAC 协议
• 2.3 异步网络中的路由协议
• 2.3.1 无状态路由协议
• 2.3.2 机会路由协议
• 第三章 机会合作的异步调度MAC 协议
• 3.1 引言
• 3.2 OC-MAC 协议
• 3.2.1 OC-MAC 概述
• 3.2.2 合作机制
• 3.2.3 包格式和计时器
• 3.2.4 隐藏终端问题
• 3.2.5 预期收益
• 3.3 性能分析
• 3.3.1 测试床实验
• 3.3.2 仿真实验
• 3.4 小结
• 第四章 基于虚拟坐标的跨层路由协议
• 4.1 引言
• 4.2 相关研究
• 4.3 系统模型
• 4.3.1 网络模型
• 4.3.2 链路模型
• 4.4 坐标系统
• 4.4.1 地理和跳数坐标
• 4.4.2 基于路径代价的坐标
• 4.5 基于能耗坐标的跨层路由协议
• 4.5.1 协议流程
• 4.5.2 协议优化
• 4.6 仿真实验
• 4.6.1 参数设置
• 4.6.2 坐标模型比较
• 4.6.3 跨层路由协议比较
• 4.7 小结
• 第五章 时延受限且能量高效的机会路由协议
• 5.1 引言
• 5.2 系统模型
• 5.3 DCEER 协议
• 5.3.1 集合时间建立
• 5.3.2 转发节点选择
• 5.3.3 坐标管理
• 5.3.4 可靠传输
• 5.3.5 丢包恢复
• 5.4 最优停止时间
• 5.4.1 转发节点选择过程建模
• 5.4.2 最优停止过程求解
• 5.4.3 路由持续时间
• 5.4.4 分布函数估计
• 5.5 最优睡眠调度
• 5.5.1 节点功耗
• 5.5.2 最优睡眠调度问题建模
• 5.5.3 最优睡眠调度算法
• 5.6 仿真实验
• 5.6.1 坐标分布假设验证
• 5.6.2 最优停止时间验证
• 5.6.3 协议比较
• 5.7 小结
• 第六章 一种自适应的分布式分簇协议
• 6.1 引言
• 6.2 问题描述
• 6.2.1 网络模型
• 6.2.2 能耗模型
• 6.2.3 协议目标
• 6.3 ADCS 协议
• 6.3.1 初始化阶段
• 6.3.2 簇头选举阶段
• 6.3.3 成簇阶段
• 6.4 性能分析
• 6.4.1 通信开销
• 6.4.2 参数优化
• 6.4.3 簇头分布
• 6.5 仿真实验
• 6.5.1 参数PT 的影响
• 6.5.2 簇头数目
• 6.5.3 网络寿命
• 6.6 小结
• 第七章 结束语
• 7.1 工作总结
• 7.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文