可充电无线传感器网络机会路由协议的研究

发布时间：2020-06-21 20:32

【摘要】：可充电无线传感器网络(Energy Harvesting Wireless Sensor Networks,EH-WSNs)是由大量的可充电节点组成的,通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。EH-WSNs可以动态地从外界获取能量,因此它解除了有限电池能量的限制,网络性能较好,适用范围较广。机会路由协议充分利用了无线信道的广播性和时变性,通过选择转发集进行机会性的数据包转发,可以有效降低网络中的时延和丢包率。本文主要研究EH-WSNs中的机会路由协议。在EH-WSNs中,为了利用从外界获取的能量,节点可以自主地调节占空比或传输功率,适当地增加醒来的时间或提高相关链路质量,以求在数据包传输时能降低时延,提高成功率。然而,为了适应这种网络特点,机会路由协议需要进行一些调整:在转发集选择环节,机会路由协议需要考虑到邻居节点工作状态的变化,动态地更新转发集中的成员和优先级。在能量管理环节,机会路由协议需要合理地利用能量,准确地调节节点占空比或传输功率。本文设计出两种EH-WSNs中新型的机会路由协议,分别适用于动态节点占空比和动态节点传输功率的场景:(1)本文设计了一种动态节点占空比场景下的机会路由协议(Opportunistic Routing in EH-WSNs with Dynamic Duty Cycle,ORDDC)。在本场景中,为了合理地利用从外界获取的能量,每个节点都可以自主地调节占空比。因此,对发送节点来说,处于醒来状态的邻居节点的成员及数量可能随时变化,并且很难通过计算得知其规律。ORDDC可以帮助发送节点通过信息交互的方式获取邻居节点的占空比信息,并且动态地更新转发集中的成员和优先级,保证参与转发的节点都处于醒来状态,降低了时延和丢包率。同时,ORDDC在调节节点的占空比时,综合考虑了当前的能量状态和未来的趋势,能平衡节点能量的获取与消耗。仿真结果表明,ORDDC可以有效地降低时延,提高传输成功率。(2)本文设计了一种动态节点传输功率场景下的机会路由协议(Opportunistic Routing in EH-WSNs with Dynamic Transmission Power,ORDTP)。在本场景中,为了合理地利用从外界获取的能量,每个节点都可以自主地调节传输功率,而传输功率会影响相关的链路质量,进而影响传输代价。因此,对发送节点来说,选择相同节点作为下一跳的传输代价可能随时变化,并且很难计算出其规律。ORDTP可以帮助发送节点在及时收集邻居节点的信息,准确估算传输代价,动态地更新转发集中的成员和优先级。在进行数据包转发策略设计时,ORDTP还考虑到了转发集中成员数量可能过多或过少的问题,稳定了实际参与转发的节点数量,并优先选择传输代价小的节点进行数据包转发。同时,ORDTP综合考虑了节点能量的当前状态和未来趋势,可以更准确地调节传输功率。仿真结果表明,ORDTP可以有效地降低时延,提高传输成功率,降低数据包冗余率。两种协议在设计上的共性如下所示:两种协议都可以高效地利用节点从外界获取的能量,动态地调节节点的工作状态(如:占空比和传输功率)。两种协议都可以动态地更新每个发送节点中转发集的成员和优先级。两种协议都采用相似的传输模型和信息交互机制。两种协议在设计上的差异如下所示:两种协议可以调节的节点参数不同(一种是占空比,一种是传输功率),相应的调节策略也不同。两种协议转发集的选择策略不同,相应度量标准也不同。两种协议采用的数据包转发策略不同,适用场景也不同。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212.9;TN915.04
【图文】：

传输模型,信息交互,示例,机制

性的数据包传输策略。逡逑本节设计的数据包传输策略采用一种转发集多层优化的机制，来确定最终的逡逑转发集，其主要流程如下所示：如图３．２，首先，ＯＲＤＤＣ通过一种成熟的Ｍｅｔｒｉｃ逡逑（ＥＤＣ［４６］），为每个节点建立一个候选转发集（ｃａｎｄｉｄａｔｅ邋ｆｏｒｗａｒｄｉｎｇ邋ｓｅｔ）邋５＾。逡逑接着，根据Ｖ中候选节点的占空比信息，并为每个节点建立一个实际转发集逡逑（ａｃｔｕａｌ邋ｆｏｒｗａｒｄｉｎｇ邋ｓｅｔ）邋５＂＂。＞Ｓａ是义的一个子集，但中的所有成员都处于醒逡逑来状态。最后，本节设计一个新型的Ｍｅｔｒｉｃ，动态期望传输代价（ｅｘｐｅｃｔｅｄ邋ｄｙｎａｍｉｃ逡逑ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ邋ｃｏｓｔ，邋ＥＤＴＣ）。ＯＲＤＤＣ将Ｖ中的节点根据ＥＤＴＣ划分优先级，并且逡逑建立一个实际转发列表（ａｃｔｕａｌ邋ｆｏｒｗａｒｄｉｎｇ邋ｌｉｓｔ）邋Ｃ，每个节点都根据它的转发逡逑数据包。通过，发送节点可以及时地知道那些候选节点处于醒来状态，以及逡逑选择哪些候选节点的传输代价较小。逡逑２５逡逑

策略,机制,范围,示例

—逦传输代价逡逑图３．１传输模型和信息交互机制示例逡逑本节采用的信息交互机制省去了询问数据包，而在ｂｅａｃｏｎ包中包含信息，逡逑可以有效降低网络中的数据包冗余。另一方面，发送节点可以通过本机制及时地逡逑获取邻居节点的状态信息，并基于这些信息做出准确的路由决策。逡逑３．邋２．邋２机会性的数据包传输策略逡逑在本场景中，节点的占空比是动态和异构的，机会路由协议必须及时更新转逡逑发集中的成员和优先级。为了解决上述问题，我们在ＯＲＤＤＣ中设计了一种机会逡逑性的数据包传输策略。逡逑本节设计的数据包传输策略采用一种转发集多层优化的机制，来确定最终的逡逑转发集，其主要流程如下所示：如图３．２，首先，ＯＲＤＤＣ通过一种成熟的Ｍｅｔｒｉｃ逡逑（ＥＤＣ［４６］）

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