面向事件监测无线传感器网络可靠传输技术研究

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无线传感器网络大规模、低成本、自组织的特性使其在事件监测领域有着广泛的应用前景。然而由于环境恶劣、节点资源受限等原因,信息传输的可靠性成为无线传感器网络应用系统设计面临的重大挑战。特别是在事件监测应用领域,对信息的可靠传输提出了更高的要求。不仅要求事件的准确感知,在此基础上还需实现事件信息的及时、可靠通告。因此,面向事件监测的可靠传输技术是无线传感器网络研究的重要内容之一。论文针对面向事件监测无线传感器网络可靠传输的关键技术问题进行了深入研究,主要包括以下几个方面的内容:首先对无线传感器网络事件监测相关技术的研究现状进行了综述和梳理,通过分析指出其中的不足。之后,分别开展了复合事件检测与可靠通告、紧急信息可靠传输、突发感知的拥塞控制和休眠状态下信息的及时传输等问题的研究。在此研究基础上,提出了解决相应问题的协议和算法。论文的主要工作和创新点如下:(1)针对现有事件检测属性单一的问题,提出一种多属性复合事件检测方法。在此基础上,对判决机制进行了改进,任何参与转发初始判决数据包的中间节点均可作为最终判决节点,不再固定为汇聚节点。中间节点在转发过程中一旦信息充分则立即作出最终判决。最终判决结果不仅需要发送至汇聚节点以通告用户,还需发给事件源节点使其停止发送初始判决信息以节省能量。针对最终判决结果的可靠传输问题,本论文提出一种κ-copy的可靠传输机制,数据包在传输过程中可按需进行冗余备份,以降低单个数据包传输失败的风险。(2)传统的拥塞检测大都没有考虑节点负载的动态变化特征,并以控制源节点发送速率牺牲事件逼真度的方法减缓拥塞。针对此问题,本文首次提出队列变化率的概念,将队列长度和队列变化率同时纳入拥塞评估的范畴。根据拥塞评估结果将节点分为多个不同状态,并提出一种多级速率调节机制,各节点根据不同状态采取不同速率调节策略。此外,采用优先级队列设计思想,为紧急事件信息分配较高优先级,进一步保证了紧急信息的可靠传输。(3)针对突发事件发生时易造成网络短时间拥塞的问题,本文提出一种突发感知的拥塞控制协议。在低负载网络环境中,传感器节点运行基于竞争冲突避免的CSMA/A MAC协议以节省能量。当突发事件发生时,短时间之内向传感器网络注入大量的信息流,网络负载较高。传统基于竞争的信道接入方式无法适应这种高负载网络下数据流传输,造成较为严重的区域拥塞。本论文利用TDMA适用于高负载的优点,在拥塞区域嵌入TDMA调度算法,当拥塞减轻或消除后,则恢复CSMA/CA机制。(4)针对异步休眠方式中存在较为严重的转发等待时延问题,本文提出一种基于scout的休眠窗口自适应调节MAC协议。发送节点通过发送一系列的scout数据包唤醒接收节点,接收节点根据接收到的数据包动态调整其休眠时间,减少了下个数据包的等待时延。基于scout包,非转发路径上的节点可根据邻居节点转发任务动态调整其休眠时间,进一步减小非转发节点的空闲侦听时间,节省了宝贵的能量资源,延长了网络生存时间。
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