能量高效的跨技术邻居发现协议研究与设计

【摘要】：近年来,物联网(Internet of Things)提供的智能化生产和服务为人们生活带来了极大的便利,而使用不同无线通信技术的物联网设备间的通信需求也日益旺盛。跨技术通信这一新兴的研究方向证明了这些异构设备进行直接通信的可行性,它具有的轻量化特点也为其带来了广阔的应用前景。而邻居发现是设备间通信前的关键环节,它能为网络拓扑、路由协议等提供相关设备信息。不过,目前跨技术邻居发现问题未得到足够的重视,鉴于当下设备间暂无明确协议用于跨技术邻居发现,本文针对该场景进行了协议的研究与设计,并以WiFi设备和ZigBee设备这两类主流的物联网设备为对象进行了阐述和说明。本文首先考虑了两个异构设备间的发现问题,并进行了协议设计。异构设备之间物理层不兼容和发射功率的差异使得邻居信息的获取存在困难,基于现有的跨技术通信工作,我们设计了一种邻居信息传递机制,待发现的设备通过在唤醒时隙首尾利用该机制广播自己的ID信息,能与现有的邻居发现算法相结合,进而满足用户在时延或能量方面的不同需求。接下来我们研究了更为复杂的情况即多个ZigBee设备与一个WiFi设备的相互发现,此时多个ZigBee设备同时向WiFi设备发送邻居信息会引发冲突。我们注意到设备采用的CSMA/CA机制存在隐藏终端问题,而使用最初设计的协议会带来较大时延,所以基于分布式的思想设计了两个适用于多设备的发现协议。核心思想是通过设备间时隙对齐进而由WiFi设备协调多个ZigBee设备发送邻居信息的时间。两个协议的区别在于WiFi设备是否自适应地调整侦听时间,我们随后也对它们在时延和能耗两方面的表现进行了理论计算。通过仿真实验,我们进一步验证了文中三个协议的可行性,并且根据实验结果总结了在不同参数设置时设备能耗和发现时延的变化情况,从而确定了协议实现能量高效的最佳参数,为用户选择特定协议提供指导。