多信道多收发器传感器网络的低时延数据分发、聚合和收集研究

随着无线通信技术的迅速发展，传感器节点可装配多个无线收发器，在多个信道上同时工作。本项目研究如何利用多信道多收发器降低通信时延，为无线传感器网络的广播、数据聚合和数据收集这三个基本的、频繁使用的操作设计低时延的传输调度方法。广播指汇聚节点给所有的传感器节点发送一个数据包；数据聚合指所有的传感器节点将它们的数据包沿聚合树发送到汇聚节点，非叶子节点把接收到的所有数据包聚合成一个数据包后再发送给父亲节点；数据收集指每个传感器节点独立地发送数据包到汇聚节点。已有相关研究几乎都工作于单收发器单信道的模型中，并且假设干扰半径和传输半径相同。本项目采用多信道和多收发器降低通信时延，并且考虑干扰距离大于传输距离的一般干扰模型。本项目的研究成果可被直接用于实时无线传感器网络应用，同时可为多信道多收发器无线网络的其它相关研究提供重要借鉴。

我们研究了在无线传感器网络使用全向天线和定向天线的端到端吞吐量。定向天线不仅通过抑制干扰提升网络容量，它对拓扑结构的改变也对网络容量产生影响；研究了基于竞争的无线传感器网络的实时数据聚集，该网络使用在IEEE 802.15.4和IEEE 802.11标准中定义的CSMA/CA协议。问题是给定一棵数据聚集树和时延约束，在满足时延约束条件下最大化所有传感器节点的平均传输成功率。在CSMA/CA协议中，传输成功率与期望传输时延对节点所受干扰非常敏感。我们提出将CSMA/CA和TDMA调度相结合的方法。将同一个父节点下的子节点分成若干组，每一组节点调度到不同的时间帧传输。在同一组内，节点之间还是采用CSMA/CA协议竞争信道。将一个大的干扰域被分割成多个小的干扰域，降低了节点的干扰，提高了传输成功率。另一方面，在我们的方法中，时间帧比纯TDMA协议中的时隙（timeslot）要大得多，因此无需严格的时钟同步，适合低成本的传感器网络；研究了混合TDMA和SDMA的WLAN中的接入点AP调度问题，目标是在最大化系统的吞吐量同时，保持多个无线站点STA之间的公平性，并保证不同流量等级的服务质量；研究了在无线mesh网络中联合使用功率控制和传输调度最小化广播时延。给定多个mesh路由器和一棵根节点为网关的广播树，任务是为每个中继节点调节功率，并且计算最优的调度，使得从根节点广播的数据包所经历的最大时延最小。我们考虑多速率传输，这是一个复杂的问题。一方面，如果提高传输功率，节点可用更高的速率传输数据包，从而减小时延；另一方面，较大的传输功率导致更大的干扰半径，从而影响并行传输。我们讨论了传输速率和并行性之间的权衡；研究了大范围传感器网络中部分连通性的关键传感器密度问题；研究了使用定向天线的多信道多收发器无线网络的拓扑控制方法。讨论的问题是给定多个mesh路由器的小区，每个mesh路由器配置了多个收发器，并且每个收发器装配了一根定向天线。在假设路由器上端到端终端用户流量已知的情况下，通过调整天线方向和分配信道实现拓扑控制，达到最大化吞吐量的目的。