本文選題：無線傳感器網(wǎng)絡(luò) + 低占空比��； 參考：《中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：大量的無線傳感網(wǎng)應(yīng)用需要將數(shù)據(jù)包從基站分發(fā)到網(wǎng)絡(luò)中的每個傳感器節(jié)點或者將傳感器節(jié)點收集到的信息傳遞到基站節(jié)點,因此,需要設(shè)計高效的廣播與路由協(xié)議。由于低占空比睡眠調(diào)度與不可靠無線傳輸?shù)挠绊?使得無線傳感網(wǎng)中的廣播與路由協(xié)議不同于其他類型網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)議。無線傳感網(wǎng)中傳統(tǒng)的廣播協(xié)議存在廣播進度信息收集不完整、對廣播過程的動態(tài)性適應(yīng)能力差以及對于偵聽到的信息利用不充分等問題。傳統(tǒng)的機會路由策略中忽略了節(jié)點獨立睡眠調(diào)度為網(wǎng)絡(luò)帶來的動態(tài)性,當(dāng)發(fā)送節(jié)點面對不同的鄰居節(jié)點喚醒次序時,需要對路由策略進行動態(tài)調(diào)整。本文重點研究了如何處理網(wǎng)絡(luò)中動態(tài)變化的因素,為低占空比無線傳感網(wǎng)設(shè)計出高效、快速的廣播與機會路由協(xié)議。主要內(nèi)容與創(chuàng)新點包括:1.提出了考慮強制發(fā)送方之間合作的基于狀態(tài)的高效廣播協(xié)議:傳統(tǒng)的基于狀態(tài)的廣播由于潛在的發(fā)送節(jié)點間低效的合作機制引入大量的沖突與冗余傳輸,降低了廣播的效率。本文基于提出的信息編碼與解析方案實現(xiàn)高效的偵聽機制,節(jié)點能夠獲得更加準(zhǔn)確的廣播進度信息,從而在不引入額外負載的前提下使得發(fā)送節(jié)點之間能更好的合作,提升廣播的速度與效率。提出的協(xié)議能夠在不引入額外時延的條件下解決稀疏網(wǎng)絡(luò)中的四邊形拓撲問題,并且能夠依據(jù)應(yīng)用需求對速度與效率進行權(quán)衡。實驗結(jié)果表明提出協(xié)議的性能優(yōu)于傳統(tǒng)的基于狀態(tài)的廣播協(xié)議。2.提出了基于網(wǎng)絡(luò)編碼與調(diào)度生成樹的廣播協(xié)議:在基于調(diào)度生成樹的廣播中,樹中擁有相同父親節(jié)點的節(jié)點同時被喚醒,從而利用無線信道的廣播特性。節(jié)點間交互網(wǎng)絡(luò)編碼包數(shù)信息,基于實時的包數(shù)信息,接收節(jié)點決定哪些鄰居節(jié)點能夠提供額外的編碼包。為了保證低占空比,接收節(jié)點限制可偵聽節(jié)點的數(shù)目。提出一個多項式級別時間復(fù)雜度的動態(tài)規(guī)劃算法確定一個節(jié)點數(shù)目固定的最優(yōu)偵聽節(jié)點集合,從而最大化一個睡眠調(diào)度周期內(nèi)期望收到的編碼包數(shù)。仿真結(jié)果表明提出的協(xié)議能夠有效的降低傳統(tǒng)廣播協(xié)議的時延與能耗。3.提出了基于網(wǎng)絡(luò)編碼與移動基站節(jié)點的廣播協(xié)議:傳統(tǒng)廣播機制通常由一個靜止的基站作為廣播源。基于移動基站,當(dāng)其移動到某個位置,可以作為新的廣播源。多個廣播源同時轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包,可以極大提升廣播速度。本文將從源節(jié)點傳輸多個編碼包到某個節(jié)點的過程建模成一個Markov過程,分析并估計從廣播源到節(jié)點的期望時延。廣播樹被劃分成多個分支,基站可以沿著某條分支移動或者在分支間轉(zhuǎn)移�？紤]所有的分支訪問順序后,為基站確定一個最優(yōu)的能夠最小化廣播時延的移動路徑。仿真結(jié)果表明在移動基站的協(xié)助下可以顯著的降低廣播時延。4.提出了考慮獨立睡眠調(diào)度的最小化時延的機會路由協(xié)議:在機會路由中,發(fā)送節(jié)點依據(jù)實時的網(wǎng)絡(luò)狀況動態(tài)的從候選節(jié)點集合中選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。由于獨立睡眠調(diào)度的影響,當(dāng)發(fā)送節(jié)點在不同時刻發(fā)送數(shù)據(jù)包時,有可能面對不同的候選節(jié)點喚醒序列。傳統(tǒng)的機會路由協(xié)議忽略了候選節(jié)點喚醒序列的時變特性。本文研究了喚醒序列的動態(tài)特性,從理論上分析如何為節(jié)點確定能夠最小化端到端時延的候選節(jié)點集合�？紤]到機會路由協(xié)議實際部署時面臨的挑戰(zhàn),提出了全局優(yōu)化與局部優(yōu)化相結(jié)合的機會路由策略。依據(jù)相對靜態(tài)的全局信息(如網(wǎng)絡(luò)拓撲與節(jié)點調(diào)度周期信息)建立初始候選節(jié)點集合,然后在局部逐跳考慮動態(tài)因素(如實時的鏈路質(zhì)量與節(jié)點喚醒序列)的影響。實驗結(jié)果表明提出的算法能顯著的提升機會路由的性能。
[Abstract]:A large number of wireless sensor networks need to distribute packets from the base station to each sensor node in the network or transmit the information collected by the sensor nodes to the base station nodes. Therefore, it is necessary to design efficient broadcast and routing protocols. The wireless sensor network is made due to the influence of low duty cycle sleep scheduling and unreliable wireless transmission. The broadcast and routing protocols in the radio and routing protocols are different from those in other types of networks. The traditional broadcasting protocol in wireless sensor networks has the problems of incomplete broadcast progress information collection, poor dynamic adaptability to the broadcast process and insufficient use of the detected information. The traditional opportunity routing strategy ignores the independent sleep of nodes. It is necessary to adjust the routing strategy dynamically when the sending node faces different neighbor nodes. This paper focuses on how to deal with the dynamic changes in the network and design a high efficient, fast broadcast and opportunity routing protocol for the low duty wireless sensor network. The innovation points include: 1. proposed a state based efficient broadcasting protocol considering the cooperation between the forced sender: the traditional state based broadcasting has reduced the efficiency of broadcasting due to the introduction of a large number of conflicting and redundant transmission due to the inefficient cooperative mechanism between the potential sending nodes. The effective interception mechanism allows the nodes to obtain more accurate broadcast progress information, thus making the sending nodes better cooperative and improving the speed and efficiency of the broadcast without introducing additional loads. The proposed protocol can solve the quadrangular topology problem in sparse networks without introducing additional delay, and can also solve the problem of the quadrangular topology in the sparse network. The experimental results show that the performance of the proposed protocol is better than that of the traditional state based broadcast protocol (.2.). The broadcast protocol based on the network coding and scheduling spanning tree is proposed. In the broadcast based on the scheduling spanning tree, the node with the same father node is awakened at the same time. The broadcast characteristics of a wireless channel. The number of packets between the nodes and the number of packets, based on the real-time packet number information, the receiving node determines which neighbor nodes can provide additional coding packets. In order to ensure the low duty ratio, the receiving node limits the number of the nodes to be listener. A dynamic programming algorithm with multiple level time complexity is proposed. Determine a set of optimal number of nodes with fixed number of nodes to maximize the number of coded packets expected in a sleep scheduling cycle. The simulation results show that the proposed protocol can effectively reduce the time delay and energy consumption of traditional broadcast protocols..3. proposed a broadcast protocol based on network coding and mobile base station nodes: traditional broadcasting. A mechanism usually consists of a stationary base station as a broadcast source. Based on a mobile base station, when it moves to a certain location, it can be used as a new broadcast source. Multiple broadcast sources can forward packets at the same time, which can greatly improve the broadcast speed. This paper will model a Markov process from a source node to a node. The expected delay from the broadcast source to the node is estimated. The broadcast tree is divided into multiple branches, the base station can move along a branch or transfer between the branches. After considering all the branch access order, the base station can determine an optimal mobile path to minimize the broadcast delay. A significant reduction in broadcast delay.4. presents an opportunistic routing protocol that considers the minimum delay of independent sleep scheduling: in an opportunistic routing, the sending node selects the forwarding node from the candidate node set according to the real-time network status. Due to the influence of the independent sleep scheduling, when the sending node sends packets at different times, the node has a data packet. It is possible to face different candidate node wake-up sequences. The traditional opportunistic routing protocol ignores the time-varying characteristics of the candidate node wake-up sequence. This paper studies the dynamic characteristics of the wake-up sequence and theoretically analyzes how to determine the candidate node convergence to minimize the end to end delay for the nodes. The opportunity routing strategy combined with global optimization and local optimization is proposed. The initial candidate node set is established based on the relative static global information (such as network topology and node scheduling cycle information), and then the effect of dynamic factors (such as real-time link quality and node wake-up sequence) is considered in the local hop by hop. It shows that the proposed algorithm can significantly improve the performance of opportunistic routing.

【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TP212.9;TN929.5

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本文編號：1877772