低功耗无线链路相关性的研究

发布时间：2017-05-17 21:09

  本文关键词：低功耗无线链路相关性的研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来,低功耗无线通信技术的发展使得低功耗无线传感器网络成为一种新的计算模式,在多个领域得到了广泛应用和发展。在低功耗无线传感器网络中,传统观点认为多条无线链路之间的收包情况是相互独立的。然而最近一系列前沿工作表明,多条无线链路的收包情况间并非是相互独立的关系,而是具有一定相关性的。这种同一节点出发的多条链路上的收包和丢包之间的相关性被称为“无线链路相关性”。无线链路相关性对于绝大部分低功耗无线网络协议具有十分重要的影响,如洪泛协议、机会路由协议等,可广泛地用于改善多种网络协议的性能,引起了国内外学者的广泛关注和研究。研究无线链路相关性的重要意义在于利用这种链路特征对网络协议进行性能优化。现有的研究工作主要集中于利用无线链路相关性优化特定的网络协议,缺乏对无线链路相关性的准确测量和性能建模等共性问题的深入研究,存在测量精度不高、网络协议性能模型不精确等问题,从而导致现有利用链路相关性的协议优化工作无法达到预期的优化效果。为此,本文针对无线链路相关性的准确测量、网络协议性能模型和协议优化应用等三个核心的共性问题展开研究。(1)无线链路相关性测量。要利用链路相关性优化网络协议,首先需要能够准确地测量链路相关性。现有大部分研究工作利用周期性信标包对链路相关性进行测量,这种方式缺乏对链路相关性的模型刻画,存在测量精度较差的问题；本文通过大量的实验和分析探索了无线链路相关性的成因及影响因素,并考虑这些影响因素,结合物理层和网络层的参数信息建立了无线链路相关性刻画模型CorModel。基于CorModel,本文进一步设计了精确的无线链路相关性测量方法。相比于现有测量方法,本文提出的方法提供了更加准确的测量结果。不仅如此,本文针对资源受限的低功耗节点平台提出了轻量级的近似算法,支持在节点端进行实时测量。本文该项工作发表在CCF A类国际会议IEEE INFOCOM 2015上。(2)网络协议性能建模。关于无线链路相关性对网络协议的影响,现有工作往往采用定性分析,而缺乏定量的模型分析。而同时,现有的定量的协议性能模型并未有效考虑链路相关性的影响,导致其性能建模并不准确。为此,本文通过综合考虑链路相关性、链路质量和链路的时间分布等链路特征对基于广播和任播的两类协议建立了网络协议性能模型。该模型揭示了包括链路相关性在内的链路特征与协议性能之间的关系,能够准确预测给定网络条件下的协议性能,从而进一步支持上层网络协议的性能优化。本文该方面工作发表在CCFB类国际会议IEEE SECON和SCI期刊Sensors上。(3)利用链路相关性优化的数据分发协议。本文以数据分发协议为典型案例,研究链路相关性在协议优化方面的应用。数据分发协议是基于广播的协议,链路相关性对其协议性能具有重要影响,而现有分发协议未能考虑此影响,导致分发效率不高。为此,本文首先定量地分析链路相关性对数据分发过程中的两个核心步骤的影响：转发节点选择和编码传输策略。之后,结合链路相关性的信息,本文提出了考虑链路相关性的转发节点选择机制和动态编码策略,并在此基础上设计了高效可靠的数据分发协议。相比现有的研究工作,本文提出的方法在完成时间、总发包量等方面有效提高了数据分发的协议性能。本文该方面工作发表在JCR一区SCI期刊IEEE Transactions on Industrial Electronics上。
【关键词】：无线网络 传感器网络 无线链路相关性 刻画模型 无线链路测量 网络性能模型 数据分发协议
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN915.04
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-14
• 第1章 绪论14-21
• 1.1 研究背景14-17
• 1.1.1 低功耗无线传感器网络14-15
• 1.1.2 无线链路相关性15-17
• 1.2 研究目的与研究内容17-19
• 1.2.1 准确轻量级的测量方法18
• 1.2.2 网络协议性能建模18-19
• 1.2.3 利用链路相关性优化的数据分发协议19
• 1.3 论文组织19-21
• 第2章 相关工作21-30
• 2.1 链路相关性定义及刻画指标21-24
• 2.1.1 κ指标22
• 2.1.2 基于条件概率的指标22-23
• 2.1.3 其他指标23-24
• 2.2 测量方法24
• 2.2.1 基于beacon的测量方法24
• 2.2.2 与本文的不同之处24
• 2.3 无线网络性能模型24-27
• 2.3.1 任播性能aETX25-26
• 2.3.2 广播/多播性能bETX26-27
• 2.3.3 与本文的不同之处27
• 2.4 协议应用27-30
• 2.4.1 洪泛协议27-28
• 2.4.2 机会路由协议28-29
• 2.4.3 与本文的不同之处29-30
• 第3章 准确轻量级的测量方法30-54
• 3.1 需求与挑战30-31
• 3.2 设计与实现31-46
• 3.2.1 影响因素研究31-35
• 3.2.2 刻画模型35-39
• 3.2.3 k-approximation近似算法39-42
• 3.2.4 CorModel扩展42-43
• 3.2.5 轻量级测量机制43-45
• 3.2.6 系统实现与优化45-46
• 3.3 性能评价46-52
• 3.3.1 验证方法设计46-47
• 3.3.2 模型准确度评价47-49
• 3.3.3 案例研究：机会路由协议49-51
• 3.3.4 案例研究：数据分发协议51-52
• 3.4 本章小结52-54
• 第4章 网络协议性能建模54-78
• 4.1 需求与挑战54-56
• 4.2 设计与实现56-70
• 4.2.1 链路特征分析56-61
• 4.2.2 总体设计61-62
• 4.2.3 针对单播/任播的性能建模62-63
• 4.2.4 针对广播/多播的性能建模63-65
• 4.2.5 案例分析1：基于3DW的精确路由65-66
• 4.2.6 案例分析2：基于3DW的无线网络生成模型66-70
• 4.3 性能评价70-77
• 4.3.1 验证方法设计70-71
• 4.3.2 模型精度评价71-73
• 4.3.3 模型计算开销73-74
• 4.3.4 案例分析1：基于3DW的机会路由协议74-75
• 4.3.5 案例分析2：基于3DW的无线网络生成模型75-77
• 4.4 本章小结77-78
• 第5章 利用链路相关性优化的数据分发协议78-112
• 5.1 需求与挑战78-83
• 5.1.1 转发节点选择79-81
• 5.1.2 编码策略81-82
• 5.1.3 数据传输策略82-83
• 5.2 设计与实现83-97
• 5.2.1 总体设计83
• 5.2.2 初始化阶段83-87
• 5.2.3 建立相关树结构87-88
• 5.2.4 编码策略选择88-92
• 5.2.5 高效数据传输机制92-93
• 5.2.6 轻量级可靠性保障93-95
• 5.2.7 与802.15.4e协议的兼容性扩展95-97
• 5.3 性能评价97-110
• 5.3.1 验证方法设计97-99
• 5.3.2 选择性编码策略评价99-100
• 5.3.3 权重指标α的影响100-101
• 5.3.4 链路估计101-102
• 5.3.5 与Correlated Flooding的对比102-103
• 5.3.6 与Deluge和Rateless Deluge的对比103-108
• 5.3.7 基于802.15.4e协议的性能评价108-109
• 5.3.8 讨论109-110
• 5.4 本章小结110-112
• 第6章 总结及展望112-114
• 6.1 全文总结及创新点112-113
• 6.2 未来工作113-114
• 参考文献114-124
• 攻读博士学位期间主要的研究成果124-126
• 致谢126-127

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