野外环境下传感网能耗和延迟性能研究

发布时间：2020-11-21 13:22

　　 传感网由大量传感器和通信节点部署而成,凭借其良好的感知和传输能力被广泛应用于野外环境中的数据收集。传感网在野外场景中存在能量受限和传输成功率低的问题,因此保证数据长期稳定高效的传输是本文研究的重点。野外环境中部署的节点类型包括从电池获取能量的节点(以下简称有源节点)以及使用energy harvesting(能量收集)等技术从环境中获取能量的节点(以下简称无源节点)两类。本文分别对这两种场景进行了研究,主要内容如下:1.针对使用有源节点的容迟型传感网,节点的能量由电池提供,能耗是网络长期工作面临的最主要挑战。如果在野外场景应用时的MAC层协议能够解决节点通信过程中的碰撞及隐藏终端等问题,则会令节点能量降低,数据传输成功率上升,从而使得节点不必频繁地更换电池。对此,本文提出了一种基于邻居节点选择信息的异步MAC层协议(NI-MAC)来降低能耗。与已有的方法不同,本协议中节点选择自己的发送时间时利用发送决策表避开了所有邻居节点及隐藏终端节点的发送时间,从而保证了节点在发送时最大程度地减少了碰撞造成的能耗,提升了数据传输成功率。节点的接收时间则是根据邻居周期表进行选择,使得节点在没有数据接收时保持休眠状态降低能耗。2.针对使用无源节点的传感网,由于节点可以从环境中对能量进行补充,因此能耗不再是这类网络唯一关注的因素。综合考虑能耗和延迟可以使节点获得较长生存周期的同时提高数据到达基站的速度。针对现有应用于无源节点网络的路由协议大多不能兼顾能耗和延迟性能的问题,本文提出了能耗和延迟平衡的机会路由协议(EDOR)。该协议通过分析节点通信过程来估算节点的预期能耗值,使得节点选择令自己能耗较低的邻居节点作为转发候选。在最终确定转发节点时本协议通过结合候选节点下一跳邻居节点的占空比信息来进行决策,使得发送节点选择能更快将数据转发出去的候选节点来降低延迟,从而实现能耗和延迟性能的平衡。最后本协议还通过设计退避策略来实现转发节点的单一性,减少机会路由过程中产生的不必要的数据包副本数量。3.使用OMNeT++平台通过大量对能耗和延迟性能进行评估的仿真实验,验证了本文提出的NI-MAC和EDOR协议的正确性,以及相比现有同类协议取得的性能优化。
【学位单位】：西北大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TP212.9;TN929.5
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 研究背景
    1.2 研究目的和意义
        1.2.1 研究目的
        1.2.2 研究意义
    1.3 研究内容
    1.4 章节安排
第二章 传感网相关协议研究现状
    2.1 MAC层协议研究现状
        2.1.1 使用有源节点网络的MAC层协议研究现状
        2.1.2 使用无源节点网络的MAC层协议研究现状
    2.2 路由协议研究现状
        2.2.1 确定性路由协议
        2.2.2 机会路由协议
    2.3 本章小结
第三章 基于邻居节点选择信息的异步MAC层协议
    3.1 应用场景
    3.2 NI-MAC协议设计思路
    3.3 NI-MAC协议原理
        3.3.1 协议概述
        3.3.2 发送时间选择
        3.3.3 接收时间调度
        3.3.4 初始化过程
        3.3.5 网络通信过程
    3.4 NI-MAC协议性能分析
        3.4.1 数据包产生速率阈值
        3.4.2 缓冲队列长度阈值
        3.4.3 能耗分析
    3.5 本章小结
第四章 能耗和延迟平衡的机会路由协议
    4.1 应用场景
    4.2 EDOR协议设计思路
    4.3 能耗和延迟的影响因素
        4.3.1 网络模型
        4.3.2 节点的预期能耗
        4.3.3 转发候选集的选择策略
        4.3.4 占空比对延迟的影响
    4.4 EDOR协议原理
        4.4.1 协议概述
        4.4.2 转发代价Cost
        4.4.3 转发节点退避策略
        4.4.4 网络初始化
        4.4.5 网络通信过程
    4.5 本章小结
第五章 评估与实验
    5.1 NI-MAC协议仿真
        5.1.1 验证实验
        5.1.2 对比实验
    5.2 EDOR协议仿真
        5.2.1 系数确定实验
        5.2.2 单一转发节点验证实验
        5.2.3 对比实验
    5.3 本章小结
总结与展望
    工作总结
    未来工作展望
参考文献
攻读硕士学位期间取得的学术成果
致谢

【参考文献】

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本文编号：2893064