傳感網(wǎng)由大量傳感器和通信節(jié)點部署而成,憑借其良好的感知和傳輸能力被廣泛應(yīng)用于野外環(huán)境中的數(shù)據(jù)收集。傳感網(wǎng)在野外場景中存在能量受限和傳輸成功率低的問題,因此保證數(shù)據(jù)長期穩(wěn)定高效的傳輸是本文研究的重點。野外環(huán)境中部署的節(jié)點類型包括從電池獲取能量的節(jié)點(以下簡稱有源節(jié)點)以及使用energy harvesting(能量收集)等技術(shù)從環(huán)境中獲取能量的節(jié)點(以下簡稱無源節(jié)點)兩類。本文分別對這兩種場景進(jìn)行了研究,主要內(nèi)容如下:1.針對使用有源節(jié)點的容遲型傳感網(wǎng),節(jié)點的能量由電池提供,能耗是網(wǎng)絡(luò)長期工作面臨的最主要挑戰(zhàn)。如果在野外場景應(yīng)用時的MAC層協(xié)議能夠解決節(jié)點通信過程中的碰撞及隱藏終端等問題,則會令節(jié)點能量降低,數(shù)據(jù)傳輸成功率上升,從而使得節(jié)點不必頻繁地更換電池。對此,本文提出了一種基于鄰居節(jié)點選擇信息的異步MAC層協(xié)議(NI-MAC)來降低能耗。與已有的方法不同,本協(xié)議中節(jié)點選擇自己的發(fā)送時間時利用發(fā)送決策表避開了所有鄰居節(jié)點及隱藏終端節(jié)點的發(fā)送時間,從而保證了節(jié)點在發(fā)送時最大程度地減少了碰撞造成的能耗,提升了數(shù)據(jù)傳輸成功率。節(jié)點的接收時間則是根據(jù)鄰居周期表進(jìn)行選擇,使得節(jié)點在沒有數(shù)據(jù)接收時保持休眠狀態(tài)降低能耗。2.針對使用無源節(jié)點的傳感網(wǎng),由于節(jié)點可以從環(huán)境中對能量進(jìn)行補充,因此能耗不再是這類網(wǎng)絡(luò)唯一關(guān)注的因素。綜合考慮能耗和延遲可以使節(jié)點獲得較長生存周期的同時提高數(shù)據(jù)到達(dá)基站的速度。針對現(xiàn)有應(yīng)用于無源節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議大多不能兼顧能耗和延遲性能的問題,本文提出了能耗和延遲平衡的機會路由協(xié)議(EDOR)。該協(xié)議通過分析節(jié)點通信過程來估算節(jié)點的預(yù)期能耗值,使得節(jié)點選擇令自己能耗較低的鄰居節(jié)點作為轉(zhuǎn)發(fā)候選。在最終確定轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點時本協(xié)議通過結(jié)合候選節(jié)點下一跳鄰居節(jié)點的占空比信息來進(jìn)行決策,使得發(fā)送節(jié)點選擇能更快將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)出去的候選節(jié)點來降低延遲,從而實現(xiàn)能耗和延遲性能的平衡。最后本協(xié)議還通過設(shè)計退避策略來實現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的單一性,減少機會路由過程中產(chǎn)生的不必要的數(shù)據(jù)包副本數(shù)量。3.使用OMNeT++平臺通過大量對能耗和延遲性能進(jìn)行評估的仿真實驗,驗證了本文提出的NI-MAC和EDOR協(xié)議的正確性,以及相比現(xiàn)有同類協(xié)議取得的性能優(yōu)化。
【學(xué)位單位】：西北大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TP212.9;TN929.5
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第一章 緒論
    1.1 研究背景
    1.2 研究目的和意義
        1.2.1 研究目的
        1.2.2 研究意義
    1.3 研究內(nèi)容
    1.4 章節(jié)安排
第二章 傳感網(wǎng)相關(guān)協(xié)議研究現(xiàn)狀
    2.1 MAC層協(xié)議研究現(xiàn)狀
        2.1.1 使用有源節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的MAC層協(xié)議研究現(xiàn)狀
        2.1.2 使用無源節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的MAC層協(xié)議研究現(xiàn)狀
    2.2 路由協(xié)議研究現(xiàn)狀
        2.2.1 確定性路由協(xié)議
        2.2.2 機會路由協(xié)議
    2.3 本章小結(jié)
第三章 基于鄰居節(jié)點選擇信息的異步MAC層協(xié)議
    3.1 應(yīng)用場景
    3.2 NI-MAC協(xié)議設(shè)計思路
    3.3 NI-MAC協(xié)議原理
        3.3.1 協(xié)議概述
        3.3.2 發(fā)送時間選擇
        3.3.3 接收時間調(diào)度
        3.3.4 初始化過程
        3.3.5 網(wǎng)絡(luò)通信過程
    3.4 NI-MAC協(xié)議性能分析
        3.4.1 數(shù)據(jù)包產(chǎn)生速率閾值
        3.4.2 緩沖隊列長度閾值
        3.4.3 能耗分析
    3.5 本章小結(jié)
第四章 能耗和延遲平衡的機會路由協(xié)議
    4.1 應(yīng)用場景
    4.2 EDOR協(xié)議設(shè)計思路
    4.3 能耗和延遲的影響因素
        4.3.1 網(wǎng)絡(luò)模型
        4.3.2 節(jié)點的預(yù)期能耗
        4.3.3 轉(zhuǎn)發(fā)候選集的選擇策略
        4.3.4 占空比對延遲的影響
    4.4 EDOR協(xié)議原理
        4.4.1 協(xié)議概述
        4.4.2 轉(zhuǎn)發(fā)代價Cost
        4.4.3 轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點退避策略
        4.4.4 網(wǎng)絡(luò)初始化
        4.4.5 網(wǎng)絡(luò)通信過程
    4.5 本章小結(jié)
第五章 評估與實驗
    5.1 NI-MAC協(xié)議仿真
        5.1.1 驗證實驗
        5.1.2 對比實驗
    5.2 EDOR協(xié)議仿真
        5.2.1 系數(shù)確定實驗
        5.2.2 單一轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點驗證實驗
        5.2.3 對比實驗
    5.3 本章小結(jié)
總結(jié)與展望
    工作總結(jié)
    未來工作展望
參考文獻(xiàn)
攻讀碩士學(xué)位期間取得的學(xué)術(shù)成果
致謝

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2893064