无线传感器网络低功耗传输协议关键技术研究

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1、电子科技大学UNIVERSITYOFELECTRONICSCIENCEANDTECHNOLOGYOFCHINA博士学位论文DOCTORALDISSERTATION（电子科技大学图标）论文题目无线传感器网络低功耗传输协议关键技术研究学科专业计算机应用技术学号201311060136作者姓名刘代波指导教师侯孟书教授分类号密级注1UDC学位论文无线传感器网络低功耗传输协议关键技术研究（题名和副题名）刘代波（作者姓名）指导教师侯孟书教授电子科技大学成都（姓名、职称、单位名称）申请学位级别博士学科专业计算机应用技术提交论文日期2018.04.15论文答辩日期2018.06.04学位授予单

2、位和日期电子科技大学2018年06月答辩委员会主席评阅人注1：注明《国际十进分类法UDC》的类号。RESEARCHONKEYTRANSMISSIONTECHNOLOGIESINLOWDUTY-CYCLEDWIRELESSSENSORNETWORKSADoctorDissertationSubmittedtoUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChinaDiscipline:ComputerApplicationTechnologyAuthor:DaiboLiuSupervisor:Prof.MengshuHouSchool:S

3、choolofComputerScienceandEngineering摘要摘要信息感知、数据收集与处理是实现物理世界、计算世界和人类社会三元世界连通的纽带，将为计算机网络的持续发展注入新的燃料。随着物联网技术在经济社会各领域应用的拓展深化以及未来互联网接入方式和节点能量供应方式的改变，集信息感知、数据传输与处理能力于一体的低功耗无线传感器网络必将出现在我们生活的方方面面，并在即将开启的工业4.0时代发挥越来越重要的作用。目前，低功耗无线传感器网络在实际应用中仍面临着诸多挑战：低功耗模式在突发流量负载网络中信道访问方式低效，利用数据转发机会与节省信道、能耗资源目标难以协调，无线

4、链路单维度测量与实际应用中多维度信息需求的矛盾，以及在大规模网络中难以对部分节点实现高效可靠的远程管理，等等。针对低功耗无线传感器网络的上述问题，本论文研究低功耗下无线传感器网络高效可靠、环境自适应性强、节点工作模式可调整的网络传输控制协议的理论与方法，旨在解决无线传感器网络中的效率问题，使其在物联网蓬勃发展的今天能更快渗透到社会生活的方方面面。具体来说，本文的主要研究内容和创新成果包括：（1）信道访问冲突避免。利用时间分集的思想，在接收节点醒来时立即发出探测报文来通知和同步所有潜在的发送节点。当发送节点接收到探测报文后，在接下来很短的时间内选择不同的时间片向接收节点预约数据传

5、输服务。根据预约所在的时间片，接收节点成功获取发送节点的数量并通过时间片序号区分它们。然后，接收者依次轮询地让发送者发送数据包，从根本上解决了突发流量负载网络中无线传感器网络数据传输的冲突问题。真实环境中的实验验证了新方法在没有增加额外能耗的条件下，大大提升现有协议在突发式数据传输时冲突避免的效果和数据传输效率。（2）机会路由协议去重复技术。通过利用时间分集的方法，在非常短的分集时间片中，转发节点通过微秒级的延迟确认，使得发送节点能及时获知并区分当前可用的转发节点，同时通过转发节点所能提供的路由增量来划分优先级；在不引入中心控制的同时，选择能提供最大路由增量的转发节点传输数据包

6、，进而实现抑制重复数据包的目的。在利用最优转发节点进行数据转发时，批传输机制进一步降低网络控制负载。实验结果显示新方法在利用数据转发机会与降低信道资源浪费上效果显著，解决了机会转发机制中的重复性数据传输问题。（3）数据重传策略。通过在线构建链路的时序模型，利用当前链路的传输状况，可以准确地评估此链路在未来时间内的传输性能。在当前链路质量严重退化I摘要时，根据时序模型决定是否继续在当前链路进行传输；当需要切换链路时，利用链路相关模型选择具有临时最优传输性能的备选链路来进行数据重传。实现了利用多维链路特性来优化数据传输的决策过程，避免现有重传方法在性能急剧降低的无线链路上进行无用的

7、重传和对长期最优链路进行不公平的评估。实验结果表明新方法的时序模型和相关模型可以有效地刻画无线链路的多维特性，利用此模型，可以在动态环境中显著地提升数据传输的可靠性和效率。（4）大规模网络远程控制方法。本论文结合路径编码和机会转发机制的思想，为每个节点分配一个全网可识别的路径编码，并利用路径编码的相似性作为机会转发的路由度量。在路径编码中，每个节点的编码隐含了从汇聚节点到其自身的逆向路径信息，即父节点的编码是自己编码的前缀。通过这种方式，网络中每个节点均可以获得一个全局、唯一、可识别的编码。