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无线传感器网络是一种新兴的信息获取技术,可应用于工农业控制、生物医疗、环境检测等诸多领域。路由协议是无线传感器网络底层支撑技术之一,对路由协议的研究具有重要意义。对于支持实时监控的无线传感器网络而言,传感器节点监测的参数往往是快速变化的,这要求路由协议支持低延时数据传输,因此研究无线传感器网络低延时路由协议具有重要的理论和实际价值。
求解最短路径(SP,The Shortest Path)是目前无线传感器网络低延时路由协议设计中常用的方法,由于无线传感器网络中存在大量低质量的无线链路,最短路径不一定是最小延时路径。本文针对无线传感器网络的平面汇聚型网络模型,研究无线传感器网络低延时路由协议设计问题。在该网络模型下,以距离矢量和最小代价算法思想为基础设计低延时贪婪路由协议。本文的主要贡献包括:
1.设计了贪婪邻居表路由协议GNTRP(Greedy Neighborhood-Table Routing Protocol)。针对协议设计中的低延时要求,协议中使用距离矢量算法获取最小跳数路径作为数据传输路径,并且设计了一种基于双向统计的两级结构链路筛选算法来获取高质量链路。当双向链路中一个方向上的链路质量低于0.35时,第二级链路筛选算法能以不低于88%的概率判定其为低质量链路。当双向链路中每个方向上的链路质量都大于0.85时,第二级链路筛选算法能够以高于90%的概率判定其为高质量链路。在宁波中科集成电路设计中心研发的GAINS-3(Global Accessible Intelligent Networks)硬件平台上实现了GNTRP,形成了相关的软件产品。在30个节点组成的网络中实际测试了GNTRP的数据传输延时参数,在网内拥塞程度相似的情况下其平均数据传输延时比泛洪路由协议低5%。
2.考虑到无线链路质量好坏直接影响到数据传输延时,通过使用链路质量信息建立了一种全路径的数据传输延时表达式,在节点已知邻居节点数据传输延时的前提下,将延时参数主导的数据传输过程映射为一个马尔可夫过程,作为一种低延时贪婪路由协议的理论模型。通过仿真测试了这种延时参数主导的贪婪路由协议的性能,试验结果表明与SP相比,该协议在链路质量门限在0.45-0.75(0.45到0.65间距为0.1,0.65到0.75间距为0.05)时,其数据传输延时只有前者的15.07%-22.75%。试验条件下,当要求数据包的传输延时小于100ms时,链路质量门限在0.65-0.75(间距0.05)时,协议性能较好,其接收到的有效数据包数量是SP路由协议的2.34-2.46倍。