【摘 要】
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近年来无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSNs)已经逐渐成为研究的热点,并被广泛应用于军事、医疗卫生、智能家居和智慧交通等领域。WSNs是由大量廉价微型节点构成,这些节点通过信息交流自组织搭建网络系统。而WSNs实现通信的基础是在节点之间建立连接,即实现邻节点发现。但是由于节点通常由电池驱动,且被部署在不易操作的恶劣环境中,因此更换电池困难。同时在实际应用中,过长
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近年来无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSNs)已经逐渐成为研究的热点,并被广泛应用于军事、医疗卫生、智能家居和智慧交通等领域。WSNs是由大量廉价微型节点构成,这些节点通过信息交流自组织搭建网络系统。而WSNs实现通信的基础是在节点之间建立连接,即实现邻节点发现。但是由于节点通常由电池驱动,且被部署在不易操作的恶劣环境中,因此更换电池困难。同时在实际应用中,过长的发现延迟会降低用户体验。这些都给设计高能效邻节点发现方法带来了挑战。现有的邻节点发现方法都是基于静态的,即当一对节点根据预定义工作时间表同时处于活跃时隙时,才能完成发现。在任意时钟偏移下,为了保证发现,节点需要耗费大量能量以维持在活跃状态(包括侦听和广播信标)。而当节点可以动态唤醒时,发现能够在较低能耗下完成,因此本文在节点可以动态唤醒这一基础上,深入研究了邻节点发现方法。首先本文介绍了邻节点发现中所采用的休眠调度技术以及相应的评估指标。在休眠调度技术下,节点的工作时间被分为连续的时隙,且每个时隙的长度相等。节点选择在特定时隙保持在活跃状态,在剩余大部分时隙保持在睡眠状态,该方法能够极大地提高邻节点发现能量效率。考虑到节点有限的能量和用户对实时性的需求,我们采取占空比和最坏发现延迟作为邻节点发现方法的评估指标,并给出相应的公式定义。之后我们总结了现有的概率性邻节点发现方法和确定性邻节点发现方法以及其优缺点,为本文提出高能效邻节点发现方法提供了理论基础。然后本文提出了基于主动唤醒的高能效邻节点发现协议PWEND(Proactive Wakeup Based Energy-Efficient Neighbor Discovery)。该协议利用主动式模型构建节点工作时间表,在该模型下节点信标与活跃时隙分离,同时可以动态调整信标的广播时间以加速发现过程。基于该模型,我们提出了PWEND协议。在PWEND中,节点首先遵循预定义的工作时间表,该时间表内存在一个侦听时隙和多个连续发送时隙,发送时隙通过动态移动寻找侦听时隙,且节点可以主动广播信标以保证发现完成。我们证明了PWEND协议适用于时隙对齐(时隙边界对齐)和非对齐条件(时隙边界非对齐),且具有严格的发现延迟上界。之后我们又提供了两种信标选择标准,即最小化发现延迟和利用平衡因子。同时针对非对称条件,提出了相应的参数选择标准。我们通过基于状态的仿真实现和评估PWEND协议,仿真结果表明该协议优于其他现有协议。最后本文又提出了基于循环仲裁系统的非整数异步动态高能效邻节点发现协议NIAnd(Cyclic Quorum Based Non-Integer Asynchronous Dynamic Energy-Efficient Neighbor Discovery)和E-NIAnd(Enhanced Cyclic Quorum Based Non-Integer Asynchronous Dynamic Energy-Efficient Neighbor Discovery)。该协议利用非整数模型,在该模型下,节点不再在整个活跃时隙都保持在侦听状态,且在活跃时隙内的信标广播时间被相应调整。基于该模型,我们提出了适用于时隙对齐条件的NIAnd协议和时隙非对齐条件的E-NIAnd协议。这两个协议都是基于循环仲裁系统建立节点工作时间表,同时节点可以动态调整信标广播时间。我们证明了提出的协议都具有严格的发现延迟上界。通过理论分析和仿真比较可以得出提出协议的性能优于其他协议。
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