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《复旦大学》 2009年
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能源受限无线传感器网络高效时分机制研究

曾益  
【摘要】: 无线传感器网络由大量分布于不同地理位置,具备传感、无线通信、计算、甚至执行能力的传感器节点组成,它们相互协作以监测并采集指定区域内的物理环境参数,如温度、湿度、亮度等。无线传感器网络可应用于环境监测、国防军事、医疗卫生及科学研究等各个领域,与其它无线网络不同,其具有节点数目众多且分布密集、成本敏感、能源和体积受限、专用性和定制性、以数据为中心等特点。这些特点以及无线传感器网络的特殊应用场景要求应用于该网络的协议具备能源利用率高、自组织、有延时保证以及容忍异常等品质。对于大多数能源受限的无线传感器网络应用场景而言,能源利用率是最重要的性能指标,原因在于它直接决定了网络的使用寿命。 论文首先分析了随机接入机制在能源利用率上的缺陷并指出了基于预约调度的有序接入机制,尤其是时分机制,能够从根本上解决制约能效的空闲侦听和串听问题,从而达到较高的能源利用率。因此,从提高能源利用率的角度出发,论文研究了能量高效时分机制的设计及其在周期性数据收集场景中的应用,研究内容主要包括时隙分配、时钟同步以及时帧结构三部分。 针对时分机制最核心的时隙分配问题,论文提出了一种无需控制包交互以及局部拓扑信息的分布式自协商时隙分配机制,该机制采用CSMA竞争接入的思想完成了分布式、并行化的时隙分配。主要贡献包括: ●分析了时隙分配机制设计所面临的挑战及存在的问题; ●提出了一种不依赖于局部拓扑信息且无需显式控制包交互的分布式自协商时隙分配机制,并证明了时隙分配收敛结果的无冲突性; ●对分布式自协商时隙分配机制进行了仿真,证实了其在能耗、收敛时间以及自适应能力上的优势; 针对时分机制所依赖的全网时钟同步,论文介绍了相关概念、基本的同步方式方法以及相应的参数估计算法并总结了现有时钟同步协议的主要分类方式及相关特点,随后提出了一种高效的时分洪泛全网时钟同步协议(TDFS)。该协议运用了单向延时估计方法进行时钟同步;利用时分结构及分布式自协商时隙分配机制进行同步扩散;采用更符合无线传感器节点硬件特性的全局时钟模型进行时钟资源管理。主要贡献包括: ●介绍了时钟同步协议的基础知识和主要原理; ●分析了全网时钟同步中同步报文数据流的主要特点; ●提出了基于分布式自协商时隙分配机制的时分洪泛全网时钟同步协议; ●提出了易于实现的全局时钟模型,并给出了时钟校准、频偏补偿以及全局时钟定时器的实现方法; ●对TDFS协议进行了硬件系统实现,并在实际系统中测试了传输延时的特性; ●从硬件系统测试和数值仿真两方面证实了相比FTSP协议,TDFS具有稍高的同步精度,更短的收敛时间,极低的能耗以及较强的自适应能力。 TDFS协议着重以最低的能耗、较简单的算法实现全网范围的时钟同步,但与其它同步协议一样存在一定程度的同步误差传递问题。为进一步提高同步精度,论文提出了利用多个同步父节点所提供的全局时钟信息,并采用卡尔曼滤波算法进行联合估计的KFMP协议。主要贡献包括: ●首次提出了利用多个同步父节点时钟信息提高同步精度的思想; ●推导了多跳网络下全局时钟的状态和测量模型; ●引入卡尔曼滤波算法对时钟偏差及频率偏差进行联合估计; ●对协议进行了硬件系统实现并测试了实际系统中的同步性能; ●从硬件测试与数值仿真结果两方面证实了本算法能够有效地减小全局时钟误差的均值及方差。 最后,由于时帧结构的设计与实际应用密切相关,因此论文针对无线传感器网络的主要应用模式,即周期性数据收集,提出了基于自协商时隙分配机制并整合了TDFS同步协议的自协商时分MAC协议。该协议按照节点所处层次对发送时间段次序进行安排,避免了数据转发停顿问题;采用了自适应的目标占有时隙数目调整策略;引入了报文重传机制以提高有效数据收集率;通过选择少数必要的子时隙进行监听基本上杜绝了空闲侦听及串听。主要贡献包括: ●分析了周期性数据收集应用中数据流的主要特点; ●提出了基于自协商时隙分配机制的高效自协商时分MAC协议; ●通过数据仿真,证实了该协议在有效数据收集率、能源利用率以及最大数据延时等方面的优势;
【学位授予单位】:复旦大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TN929.5;TP212.9

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