无线传感器网络中基于动态唤醒的高能效邻节点发现方法研究

来源 :中国石油大学(华东) | 被引量 : 0次 | 上传用户:rqcai
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
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。
其他文献
近年来,随着经济的持续发展和城市化进程的快速推进,大气环境污染问题日益突出。大气环境气态污染物作为大气环境污染的主要成分之一,不仅影响空气质量,给人的身体健康造成极大危害;它所引起的光化学烟雾污染给国家和社会也造成了巨大的损失。因此,开发微型便携、高效可靠的气体传感器可以实时反映大气环境气态污染物的成分和浓度,有助于人们及时预警危险气体并进行有效处理,是确保环境监测、社会安全和人身健康的必要手段。
学位
在过去几十年中,由于现代工业系统规模越来越大,复杂程度越来越高,因此系统运行过程中的安全性与可靠性问题是目前亟需解决的问题,故障诊断技术为解决这些问题提供了可能。网络化控制系统与传统结构系统相比具有成本低、传输速度快、可靠性高等优势。网络传输产生的时变时滞、数据冲突、异步会严重影响故障诊断性能,因此需要发展新的理论和技术解决这些问题。本文旨在研究基于通信协议的网络化控制系统的故障诊断问题。本文主要
学位
随着产业变革和自动化领域的发展,工业机器人因具有高精度和高效率的特点被广泛应用于码垛、喷涂和医疗等领域中。但工业机器人在狭小空间内工作时,满足Pieper准则工业机器人的关节角度变化和末端位姿变化都会有很大的局限性。本文以一种非Pieper六轴工业机器人为研究对象,对其运动学、轨迹规划和避障规划进行研究。(1)研究了六轴机器人的运动学理论。分析了非Pieper准则六轴机器人的结构特性,分析了轴角、
学位
约翰·弥尔顿(John Milton,1608-1674)是英国最伟大的史诗诗人,其巨著《失乐园》描绘了从创世之前的天庭之战到时间尽头的漫长历史,反映了善恶之间的重大冲突,以及整个世界的彻底变化,也折射出十七世纪英国社会转型阶段之中基督教人文主义与早期现代科学之间的激烈张力。这一张力也蕴含着弥尔顿一生之中对于培根的科学观念从推崇到反思的变化过程。本文以巴赫金的对话理论为研究视角,以《失乐园》为主要
学位
日益复杂化的现代工业对生产过程的安全性和连续性提出了更高的要求,故障检测技术成为过程系统领域的关注焦点。近年来,先进的集散控制和数据采集技术在工业系统中得到广泛应用,收集了大量的工业系统运行数据。因此,基于数据挖掘的故障检测方法受到了研究学者们的广泛关注。然而,对于幅值小、变化缓慢的微小故障来讲,传统的故障检测方法往往难以取得较好的监控效果。针对非线性工业过程的微小故障监控问题,本文立足于正常数据
学位
在天然气输送管道中,天然气与液膜中的自由水在高压和低温的条件下极易形成天然气水合物,从而形成含水合物液膜。液膜中的水合物易堵塞管线和仪表设备,严重时将导致安全事故。研究适用于管道内含水合物液膜的厚度测量方法,对于集输管道的安全有效运行具有重要意义。本课题提出电阻法和超声渡越时间法相融合的液膜厚度测量方法,针对平底容器中的液膜和水平圆形管道中的液膜分别优化设计了平面式和凹面式电-声复合传感器,在对液
学位
随着我国机械制造业的发展,各类大型设备被广泛应用于工业生产中,其复杂的工作环境极易造成故障的发生。旋转机械是一类在机械设备中应用最为广泛的部件,加之传感器的应用使机械设备的健康监测进入大数据时代,如何有效地将设备运行产生的数据运用到旋转机械故障诊断中是现阶段亟待解决的问题。本文基于卷积神经网络设计旋转机械故障诊断实验,通过采集机械设备中旋转机械的故障振动数据,以此为研究对象展开研究,主要工作包括以
学位
近年来,依托物联网(Internet of Things,Io Ts)的迅猛发展,无线射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)技术作为物联网的关键技术之一,取得了长足发展并且被应用在广泛领域,包括智能仓储、物品追踪、智慧医疗、交通运输等。然而,随着RFID技术的不断推广使用,RFID系统中的安全问题却令人担忧。其中,蓄意破坏的攻击者利用RFID标签结构简单
学位
云计算是一种集中式计算范式,它集中布置资源,并通过网络将这些资源提供给用户。尽管云计算拥有大量资源,然而,由于云计算系统的服务器通常在地理上远离用户,因此其很难支持实时移动的用户的应用程序。因此,边缘计算,即将资源分配到网络边缘的计算方式,在具有低延迟和高可靠性要求的应用服务中越来越受欢迎。边缘计算以去中心化的方式提供资源,和云计算相比,其可以更快地响应用户的需求。然而,由于边缘设备计算能力有限,
学位
习近平总书记作为习近平新时代中国特色社会主义思想的主要创立者,在社会主义发展阶段理论方面作出了原创性贡献。强调我国社会主义初级阶段的基本国情没有变的同时,明确我国发展进入新时代、新发展阶段;在科学判断我国社会主要矛盾发生转变的基础上,明确全面建成小康社会、开启全面建设社会主义现代化新征程的发展任务和高质量发展之路,设计新发展阶段“两步走”的发展战略,推进了马克思主义中国化新的历史进程,展现了21世
期刊