异构感知ZigBee协同无线自组织网的跨层寿命优化问题研究

Compared with high-power and high-cost Wi-Fi, ZigBee has the advantages, such as low power, low cost, etc., making it one of the most promising wireless collaboration technologies for Wi-Fi based networks. However, current research on multi-interface collaboration mainly focuses on centralized wireless local area networks, and neglects decentralized wireless ad hoc networks. Therefore, taking advantage of the interoperability between heterogeneous ZigBee and Wi-Fi, we propose to conduct extensive research on heterogeneity-aware ZigBee collaboration, towards solving cross-layer network lifetime optimization problem for wireless ad hoc networks. First, we build ZigBee and Wi-Fi cross-layer collaboration architecture for energy saving. Based on that, from bottom to top, we first design granularity-tunable ZigBee-collaborated duty-cycle scheduling scheme over MAC layer, serving as foundation for nodal lifetime adjustment. Next, over network layer, we conduct research on ZigBee-collaborated nodal lifetime balancing algorithm in order to locally balance lifetime of the nodes involved in data transmission, and then we study ZigBee-collaborated routing mechanism towards achieving global nodal lifetime balance. Theories and designs of this project will be verified via combination of extensive simulation and physical experiments. We hope this project could promote the application and development of multi-interface collaboration technique in ubiquitous wireless networking systems.

与高能耗、高成本Wi-Fi技术相比，ZigBee技术具有低能耗、低成本等优点，这使其成为最具研发前景的Wi-Fi网络协同技术之一。然而，目前国内外多接口协同相关研究往往关注集中式无线局域网，缺乏对分布式无线自组织网的研究。为此，本课题基于异构ZigBee与Wi-Fi间的互操作性，开展对异构感知ZigBee协同技术的研究，以解决无线自组织网跨层寿命优化问题。首先，拟建立ZigBee与Wi-Fi层间协作节能优化体系。并以此为依托，自下而上，先针对MAC层构建粒度可调的ZigBee协同Wi-Fi工作周期调度，为节点寿命调控提供基础。随后，针对网络层先后开展对ZigBee协同节点寿命均衡机制的研究，从局部均衡数据传输节点寿命；以及ZigBee协同路由机制的研究，以实现全网节点寿命均衡。本课题将通过仿真与实测相结合的方式进行验证，预计将对以多接口协同为主的泛在无线通信系统的应用起到一定推动作用。

作为移动计算的主要网络应用环境，无线自组织网一直受到科研领域的广泛关注。其优势在于，能在无固定基础设施的情况下，实现无线设备间的自行组网，突破传统无线蜂窝网、无线局域网等集中式网络的地理局限性，能够更加快速、便捷、高效地完成网络部署，适合于紧急情况下移动设备（如智能手机、笔记本电脑、平板电脑等）的临时组网和通信。然而，无线自组织网终端设备通常是由电池供能，且一般使用高功率的WiFi技术进行通信，使得某些瓶颈节点的能量消耗过快，从而导致网络通信中断。为有效延长网络寿命，本项目研发了基于异构ZigBee跨层协同的WiFi数据传输能效优化技术，以解决一直困扰无线自组织网发展的难题。项目研究开展过程中，为更好的契合无线网络技术发展的新趋势和加速研究成果的发表与推广，我们将项目的应用背景定位于物联网领域，其主要原因为：(1)物联网设备间通信组网方式通常为无线自组织网形式，且同样存在着能效优化问题；(2)物联网中同样普遍存在异构ZigBee与WiFi通信技术的共存现象。在此应用背景之下，我们首先研究了异构协同能量优化机制，通过低能耗ZigBee技术的协同作用，以最大化高能耗WiFi技术的数据传输能效；然后，在此基础之上，开展了对节点寿命均衡技术的研究，通过异构ZigBee通信动态调节节点WiFi通信能量消耗，以延长能量稀缺节点的寿命，最终到达最大化网络寿命的目标；最后，我们还将所研发的异构协同优化体系框架拓展到了车联网领域，先后实现了基于WiFi通信协同的高精度车辆定位和高速数据传输。大量的仿真和实测结果验证了，该项目所研发的网络寿命优化技术比传统的PSM技术和当前最先进的ZPSM技术所能达到的网络寿命分别高出346.9%和33.4%，有效提高了网络通信的可持续性。项目研究工作按计划顺利完成，取得了一定的研究成果，发表了多篇高水平论文，其中SCI一区2篇、SCI二区4篇。所研发的技术有着良好的通用性和可扩展性，使其能适用于泛在异构无线网络通信的能效优化，具备良好的市场应用前景。