物联网中智能物体低能耗互联和通信技术及其理论

In Internet of Things (IoT), there are many smart objects,i.e.,tiny sensors or tiny actuators each with network interface. A smart object is charactered by a weak micro processor unit (MPU),lower power, small amount of battery energy, small size of memory, and small bandwith for communication. The network consisting of smart objects is referred as Constrained, Low-power, and Lossy Network (CoLLN). This project investigates: 1) energy consumption model and cooperative power management schemes for smart objects to prolong the lifetimes of both smart objects and their network; 2) channel access schemes to support the movement of the smart objects while keeping communication continuity among them; 3) data delivery schemes with high throughput, low power cost, and high reliability to enable data to move effectively and efficiently in CoLLNs; 4) the storage management schemes that optimizes the performance of multiple layers in the protocol stack to make the extramely constrained memory in the smart objects function as well as possible for the protocols of wireless networking, power management, communication, and data delivery etc., aiming at the performance optimization of the entire system. This project conforms with the development strategy of China and is significant for the research and applications of IoT in China.

在物联网中，存在着大量的智能物体（带网络接口的微传感器或微执行器），其特点是：微处理器处理能力薄弱，功耗低，电池能量、内存容量及通信带宽均很小。智能物体形成了资源受限制的低功耗有损网络CoLLN（Constrained, Low-power, and Lossy Network）。本项目研究：1)智能物体的能耗模型和协同电源管理策略，以延长智能物体及其网络的生存时间；2)支持智能物体移动的信道接入策略，使智能物体在移动过程中保持通信连续性；3)适用于CoLLN的高吞吐率、低能耗、高可靠性的数据传递方案，使数据在网络中高效迁移；4）优化协议栈多层次性能的存储管理策略，使智能物体极度受限的内存在无线联网、电源管理、通信、数据传递等协议中最大限度地发挥作用，使系统整体性能最优。本项目符合国家的发展战略，对我国物联网研究和应用具有重要的意义。

资源受限制的低功耗有损网络CoLLN（Constrained, Low-power, and Lossy Network）是物联网的重要组成部分，本项目主要研究CoLLN中节点（包括智能物体）的电源管理和节能、移动节点接入网络、数据存储以及适用于CoLLN 的高吞吐率、低能耗、高可靠性的数据传递方案，并对之进行优化。在研究过程中，所采用的理论与方法主要有：概率论、随机建模、最优化理论与方法等。.所取得的研究成果包括：1）针对无线纳米传感器网络的OOK（On-off Keying）编码方案，提出基于二叉树的权重下降算法（BT-WD)和基于二叉树的长度下降算法（BT-LD)算法，用于构造低码重的非前缀码，以降低发送方的能耗，并提出固定长度最小通信能耗码和可变长度最小通信能耗码，以降低收发双方的能耗；2）针对IPv6数据包在基于IEEE 802.15.4无线传感器网络中被分块传递且易于丢包的问题，提出可靠的IPv6数据包传递方案RIPDS，以提高数据包到达率，并提出时延感知的IPv6数据包传递策略LAID，使IPv6数据包在能量捕获无线传感器网络中得以低能耗、低时延及可靠传递；3）针对资源极度受限的无线传感器网络，将能耗、数据收集率、数据收集时延、数据包编码方案整合为一个优化问题，通过求解该优化问题，节点能够设置最优的数据包编码和重传参数，使得在时延和数据收集率约束下能耗达到最小；4）针对物联网中Wi-Fi使能传感器，提出了增强型基于定时器的电源管理策略，根据通过节点的Wi-Fi接口的流量来调整休眠定时器和空闲定时器的值，从而达到低能耗和低时延传输数据包的目的；5）针对低功耗的Mesh网络，设计了基于Mesh网络的两段地址分配策略及Mesh网络的路由方案，使节点快速接入网络并低能耗传递数据。.本项目按计划进行，进展顺利；在包括《IEEE Transactions on Mobile Computing》、《IEEE Transactions on Wireless Communications》、《IEEE Transactions on Vehicular Technology》、《计算机学报》在内的国内外重要期刊和学术会议上发表学术论文30篇；申请了发明专利2项。