异步无线传感网络广播效率的研究

发布时间：2017-04-08 06:15

  本文关键词：异步无线传感网络广播效率的研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：广播路由将广播包分发至全网节点,在无线传感网中得到了广泛的应用,可以为诸如网络配置、代码更新、路由发现等一系列上层服务提供支持。为了减少能耗,传感器节点普遍采用异步的睡眠调度机制(即节点独立地进行睡眠调度),而且无线链路具有不可靠性,这就使得传统移动自组织网络中的节点一直处于工作状态以及有线网络中链路可靠场景下的广播协议不能被应用于异步无线传感网络。在异步无线传感网络高效广播协议的设计中,需要考虑异步的睡眠调度、无线链路不可靠性两个重要因素来优化广播协议的性能。在静止汇聚节点场景的广播协议中,已有的研究工作通常考虑链路质量、节点覆盖次序、睡眠调度等因素针对广播时延、传输次数、广播能耗等性能进行优化,在广播的时延效率和能耗效率之间进行权衡。其中一种主流的思想是利用局部一跳或两跳信息进行状态标记的广播,这种类型的协议能够适应网络拓扑的动态变化,但是由于基于不完整的信息做决策,使得广播过程中会引发低效传输和冲突问题。在移动汇聚节点场景的信息分发策略中,已有的研究工作不是针对将一个广播包分发至全网的广播协议设计,而是普通传感器节点传输信息至汇聚节点的信息汇报,或者移动汇聚节点通过洪泛实时分发自己的位置信息至全网。主流的思路包括基于虚拟网格的分发和基于簇的方法,但是这些策略不适用于异步无线传感网络中考虑移动汇聚节点场景中的广播。在综合分析考虑异步无线传感网中异步睡眠调度、无线链路不可靠性、节点位置信息、邻居节点覆盖次序信息等因素的基础上,本文分别针对静止汇聚节点场景和移动汇聚节点场景设计了高效的广播协议：(1)静止汇聚节点场景：异步无线传感网中,代理(delegation)指的是一个节点将未覆盖的邻居节点委托给已经收到广播包的邻居节点进行处理。传统的代理机制基于不完整的信息做代理决策,当更好的代理节点出现时不再改变已经做出的决策,并且有时将一个未覆盖节点委托给了多个邻居节点,从而引发了低效传输和代理冲突问题。本文提出了异步无线传感网中基于动态代理的高效广播协议(Dynamic Delegation based Efficient Broadcast, DDEB), DDEB综合考虑链路质量信息和广播的实时进度来从发送方和接收方的角度将一个未覆盖节点代理给目前为止最好的已覆盖节点。当更好的代理者(delegater)出现时,则改变原有的代理,通过动态代理避免了在链路质量差的链路上传输,同时利用较早被覆盖的节点的尝试机会加快广播的进度,从而提高了广播的时延效率和能耗效率。(2)移动汇聚节点场景：本文提出了汇聚节点在网络中边运动边广播数据包的场景下的广播协议,汇聚节点以合适的运动模式和速度在网络中移动能够延长网络生存期,并进一步降低广播时延。但是汇聚节点运动起来会使得网络中出现广播区域的不平衡问题,这使得静止汇聚节点场景中的广播协议不能直接被应用于该场景或者协议的效率会被降低。本文提出了快速高效的广播协议(Fast and Efficient Broadcast Protocol, FEBP), FEBP分析了引入移动汇聚节点后广播的挑战以及汇聚节点移动的模式和速度问题,并综合考虑广播进度、节点所在位置、邻居覆盖信息等因素提出了节点密度自适应的概率转发、广播进度自适应的推迟转发、根据邻居节点覆盖情况确定的推迟转发时间三个机制,解决了广播区域的不平衡性问题并减少了广播传输次数和能耗,提高了广播能耗效率。从而达到了时延效率和能耗效率的统一优化。
【关键词】：动态代理 高效广播 静态汇聚节点 异步无线传感网络 移动汇聚节点
【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】：2016
【分类号】：TP212.9;TN929.5
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-19
• 1.1 本文研究的背景和意义11-14
• 1.2 异步睡眠调度WSNs中高效广播协议设计的主要挑战14-16
• 1.2.1 异步睡眠调度带来的挑战14-15
• 1.2.2 无线链路不可靠性的挑战15
• 1.2.3 引入移动汇聚节点后带来的挑战15-16
• 1.3 本文研究内容16-18
• 1.3.1 静止汇聚节点场景中的高效广播16-17
• 1.3.2 移动汇聚节点场景中的高效广播17-18
• 1.4 本文组织结构18-19
• 第2章 异步无线传感网中广播协议的相关研究19-27
• 2.1 静止汇聚节点场景的广播19-22
• 2.2 移动汇聚节点场景的广播22-27
• 第3章 异步无线传感网中基于动态代理的高效广播协议27-39
• 3.1 问题介绍和分析27-28
• 3.2 基于动态代理的高效广播协议的详细设计28-33
• 3.2.1 网络模型和假设28-29
• 3.2.2 动态代理的优势29-30
• 3.2.3 基于动态代理的广播机制30-32
• 3.2.4 overhearing机制和冲突的减少32-33
• 3.3 性能评估33-37
• 3.3.1 实验参数设计及评估指标33-34
• 3.3.2 节点密度对广播性能的影响34-36
• 3.3.3 睡眠周期对广播性能的影响36-37
• 3.4 本章小结37-39
• 第4章 异步无线传感网中移动汇聚节点场景中快速高效的广播协议39-55
• 4.1 问题介绍和分析39-40
• 4.2 网络模型和假设40-41
• 4.3 快速高效广播协议的设计41-48
• 4.3.1 广播时延效率的提高41-44
• 4.3.2 广播能耗的降低44-47
• 4.3.2.1 节点密度自适应的概率广播44
• 4.3.2.2 不同的广播进程下不同的推迟转发概率44-46
• 4.3.2.3 不同邻居节点覆盖情况下的不同推迟转发时间46-47
• 4.3.3 冲突的解决和重传47-48
• 4.5 性能评估48-54
• 4.5.1 仿真环境48-50
• 4.5.2 移动汇聚节点运动速度对广播性能的影响50-51
• 4.5.3 节点数目变化对广播性能的影响51-53
• 4.5.4 睡眠周期变化对广播性能的影响53-54
• 4.6 本章小结54-55
• 第5章 总结与展望55-57
• 参考文献57-63
• 致谢63-65
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果65

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本文编号：292248