基于可塑性干扰的无线网络同步传输技术和应用研究

发布时间：2017-03-21 01:10

  本文关键词：基于可塑性干扰的无线网络同步传输技术和应用研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在无线网络中,基于可塑性干扰的同步传输(CIST)具有广泛应用前景。可塑性干扰要求多个发送者同时发送相同的数据包到一个共同的接收者,并且多个发送者的最大时间间隔小于一个参考门限(对于IEEE 802.15.4通信方式,该门限为0.5μs),此时共同的接收节点可以高概率将该数据包解析。对网络洪泛、时钟同步、ACK包确认等应用,CIST避免同层节点协调沟通的成本,进而增强网络并发、降低传输延迟、提高同步精度。本文围绕CIST关键技术,并结合网络洪泛、时间同步的应用需求,主要完成如下工作:从理论建模和波形分析揭示可塑性干扰产生的根本原因,提出增强型可塑性干扰(Disco)的概念,并在有损和无损链路条件下推导出CI和Disco产生的充分条件。在商业现成的无线传感网节点通过Triggercast协议实现Disco。Triggercast补偿路径传播时延和射频处理时延,具有95%概率达到250ns的时间同步精度。在收包率仅为5%的有损链路下,Triggercast将7个同步传输的收包率提高到70%,实现仅通过控制节点同步性,便改变现有拓扑结构的目的,可用于机会路由性能。从理论上证明基于可塑性干扰的网络洪泛存在可扩展性问题,即随着网络规模增大或节点密度提高,网络节点收包率急剧下降。以格型网络为例,从理论上证明Glossy在此拓扑下,节点收包率存在下界(94.5%)。提出基于拓扑控制的洪泛协议SCIF和EACIF,通过构建骨架结构,对转发节点进行选择和控制,提高节点收包率。仿真分析表明,在均匀拓扑下,SCIF将Glossy的收包率从26%提高到97%。在CitySee拓扑下,EACIF相比Glossy节省64.0%的平均工作时间。由于不确定性的MAC层接入延迟和中间节点时钟不稳定的影响,时间同步通常被认为耗时并且误差大。基于可塑性干扰,本文实现高精度、无侵入、直接与汇聚节点“虚拟”同步的时间同步协议DMH。DMH通过预测工作时隙、拓扑控制的网络洪泛、射频直接转发,从时间、空间、操作系统三个维度提高Glossy与现有协议的兼容性,并降低功耗。CitySee的仿真实验表明DMH协议的平均工作时间是Glossy的18.5%。另外,理论分析和测试平台实验证明,DMH协议直接使用汇聚节点的时间戳,不受中间节点时钟不稳定的影响,并且全局同步误差随跳数增加呈线性增加。而目前最好的FTSP协议,其全局同步误差随跳数呈指数增加。
【关键词】：可塑性干扰 同步传输 网络洪泛 时间同步 无线传感网
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN92
【目录】：

• 摘要3-4
• abstract4-11
• 第1章 绪论11-25
• 1.1 研究背景及意义11-16
• 1.2 相关论文研究16-21
• 1.2.1 同步传输技术16-17
• 1.2.2 网络洪泛技术17-19
• 1.2.3 时间同步技术19-21
• 1.3 论文主要工作21-25
• 1.3.1 研究对象与系统假设21-22
• 1.3.2 研究思路22-24
• 1.3.3 论文结构与主要贡献24-25
• 第2章 可塑性干扰理论分析和设计实现25-60
• 2.1 研究动机25-28
• 2.2 同步传输实验28-31
• 2.2.1 实验场景设计28
• 2.2.2 实验结果28-31
• 2.3 理论分析31-39
• 2.3.1 IEEE 802.15.4 标准物理层描述31-32
• 2.3.2 捕获效应和数据包嵌套的SINR模型32-33
• 2.3.3 在无损链路下的可塑性干扰理论分析33-37
• 2.3.4 在有损链路下的可塑性干扰理论分析37-39
• 2.4 研究挑战39-40
• 2.5 实验验证平台介绍40-42
• 2.5.1 Tmote Sky传感网节点40-41
• 2.5.2 Contiki OS操作系统41-42
• 2.6 CI和Disco的设计与实现42-50
• 2.6.1 无线触发广播(Triggercast)机制42-43
• 2.6.2 时延分析43-44
• 2.6.3 码片级别同步CLS算法44-48
• 2.6.4 链路选择排列LSA算法48-50
• 2.7 实验性能分析50-58
• 2.7.1 时钟补偿实验50-52
• 2.7.2 可塑性干扰性能实验52-57
• 2.7.3 数据转发实验57-58
• 2.8 讨论和总结58-60
• 第3章 基于可塑性干扰的可扩展网络洪泛60-90
• 3.1 研究动机60-66
• 3.1.1 网络洪泛概述60-61
• 3.1.2 基于可塑性干扰的网络洪泛61-62
• 3.1.3 研究大规模无线传感网的意义62-63
• 3.1.4 应用场景63-65
• 3.1.5 可扩展性65-66
• 3.2 大规模网络中的可扩展性问题66-78
• 3.2.1 系统假设66
• 3.2.2 最差拓扑下的收包率分析66-73
• 3.2.3 CIBF在格型网络下的理论分析73-78
• 3.3 通过拓扑控制提高性能可扩展性78-82
• 3.3.1 SCIF协议78-81
• 3.3.2 EACIF协议81-82
• 3.4 仿真性能评估82-86
• 3.5 讨论与总结86-90
• 3.5.1 延迟最优的网络洪泛协议86-88
• 3.5.2 讨论和后续工作88-90
• 第4章 基于可塑性干扰的非侵入时间同步90-111
• 4.1 时间同步概述90-93
• 4.1.1 为什么需要时间同步？90-91
• 4.1.2 时间同步主要问题和挑战91-92
• 4.1.3 晶振特性分析92-93
• 4.2 DMH协议主要思想93-97
• 4.2.1 系统基本假设93-94
• 4.2.2 地铁和汽车94-95
• 4.2.3 非侵入性(non-invasive)协议95-97
• 4.3 设计与实现97-102
• 4.3.1 应用层设计97-98
• 4.3.2 射频直接转发98-100
• 4.3.3 预测工作时隙100-101
• 4.3.4 EACIF网络洪泛101-102
• 4.4 性能分析102-104
• 4.4.1 全局同步误差102-103
• 4.4.2 中间节点时钟不稳定性影响103-104
• 4.5 性能评估104-109
• 4.6 总结109-111
• 第5章 总结和展望111-115
• 5.1 研究总结111-113
• 5.2 研究展望113-115
• 参考文献115-121
• 致谢121-125
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果125-126

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 陈海明;崔莉;谢开斌;;物联网体系结构与实现方法的比较研究[J];计算机学报;2013年01期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 盛李立;基于Contiki操作系统的无线传感器网络节点的设计与实现[D];武汉工程大学;2012年

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本文编号：258785