面向6TiSCH网络的数据流调度与聚合方法研究与实现

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6TiSCH(IPv6 over the TSCH mode of IEEE 802.15.4e)通过在IPv6无线传感网络引入时隙信道跳频机制,提高了无线数据传输的可靠性和抗干扰性,推动着无线传感网络迈向高实时性、高可靠性的新台阶。在实际部署过程中,不仅存在着截止时间不同的周期性数据流,还存在突发性的非周期性紧急数据流,设计一个合适的网络调度算法对网络的整体性能尤为重要。但现有6TiSCH网络中大多数调度算法仅针对单一的周期性数据流进行调度,更缺乏对突发性紧急数据流的应急处理,从而导致非周期紧急数据流的不能及时交付,造成系统不稳定。鉴于此,本文针对6TiSCH网络中混合型数据流的调度问题进行了研究,主要工作如下:1.研究实现6TiSCH网络数据流调度与聚合的关键技术,包括6TiSCH协议标准、网络协议栈、TSCH机制、6TOP管理层以及无线传感网络的数据聚合技术。2.针对6TiSCH网络中的周期性数据流传输过程中需要满足不同截止时间需求的问题,提出一种根据周期数据流的截止时间和路由构建的集中式调度算法,同时采用数据聚合技术,设计一种6TiSCH网络的无损聚合方法。该调度聚合方法,不但减少了数据量降低传输时延,而且提高了网络利用率。3.针对6TiSCH网络中由于紧急状况触发的非周期紧急数据流需要在极短时间限制内的可靠传输问题,设计出一种非周期数据流抢占分配给周期性数据流时隙的方法。并提出一种增强型微时隙,设计一种基于EB帧结构的时隙抢占帧实现快速广播,并提出一种分布式竞争回复时隙抢占帧机制,备选节点快速响应,实现非周期数据流快速抢占时隙。该方法能够在有限时间内将非周期数据流的快速交付,且实现对周期数据流的影响最小化。4.基于Contiki-NG操作系统为本文设计的调度与聚合方法,以及时隙抢占方法进行试验仿真和验证。利用Cooja仿真平台搭建6TiSCH试验环境,模拟不同类型的数据流并对本文所提出的方法进行测试,最后对测试结果进行分析。实验测试结果表明,针对周期性的数据流,本文提出的集中式调度与聚合方法,不仅能够满足不同截止时间的数据流,还能够降低6TiSCH网络中数据传输量,提高网络利用率;针对非周期的紧急数据流,本文提出的时隙抢占方法,不但能够在极短的时间内将紧急数据流快速的传递到控制器,而且对网络中其他周期性的数据流造成的数据包丢失影响降最低。
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