低占空比无线传感网基于并发竞争和捕获效应的高效传输技术研究

The low-duty-cycle working mode of wireless sensor nodes saves their energy but increases the contention and collision possibilities. Moreover, the data communication protocols used by wireless sensor networks, such as convergecast and data dissemination, make the collision problem worse. Generally, most existing data communication protocols regard duty cycling and collisions as two factors of degrading the performance, so they try to avoid duty-cycling and collisions during data transmission. In this project, we investigate making use of duty cycling and collisions to design efficient data transmission protocols instead of simply avoiding them. To be specific, we focuses on studying four intertwined contents: (i) efficient collision resolution mechanism: nodes concurrently transmit contention packets once they receive the beacon message sent by their intended receiver, and the receiver exploits capture effect to correctly decode one signal from the superimposed signals; (ii) opportunistic routing algorithms: the end-to-end expected latency is calculated according to nodes’ contention success probability, and based on which the forwarding node is dynamically selected so as to minimize the expected delay; (iii) fast convergecast algorithms: multiple pipelines are established based on nodes’ contention success probability, and nodes are scheduled to send batch data to sink through these pipelines so as to realize fast data collection; and (iv) fast data dissemination algorithms: fast data dissemination is achieved by disseminating data to high-priority nodes first and intentionally overhearing the channel at some particular time points. We aim to break through designing data transmission protocols separately, and provide a simple, unified, and efficient transmission scheme for low-duty-cycled wireless sensor networks.

低占空比工作模式节省了传感器节点的能量，但是加大了发送节点之间的竞争和冲突。此外，数据通信协议，如汇聚和分发，进一步加剧了冲突。冲突和占空比通常被认为是影响数据通信协议性能的不利因素，从而研究的思路主要是如何避免这些因素。与避免这些因素相反，本课题探索利用冲突和占空比设计高效的传输协议。具体地，研究高效的冲突解决机制，发送节点在收到接收方的信标帧后并发竞争，接收方利用捕获效应从叠加信号中解码出某个发送节点的信息，快速地解决冲突；研究机会路由算法，根据竞争成功率等因素计算端到端期望延迟，动态决定转发节点，最小化期望延迟；研究数据汇聚算法，根据竞争成功率建立到汇节点的多条流水线，沿流水线批量地向汇节点传输数据，实现快速汇聚；研究数据分发算法，采用基于优先级转发和主动侦听实现快速数据分发。目标是突破孤立的协议设计机制，为低占空无线传感器网络提供一套简单、统一、高效的数据传输方案。

本课题研究利用冲突和占空比设计高效的传输协议，在节省能量的同时提升通信性能，取得的主要研究成果如下：.1) PRR-SINR模型：提出了一种基于Sigmoid函数的无线传感器网络干扰模型估计方法，该方法利用Sigmoid函数与干扰模型曲线的相似性，通过引入了拉伸系数与平移系数，通过这两个系数的估计，可以快速且准确地建立干扰模型。.2）最大化捕获成功率的竞争功率分配算法：提出的功率分配方法权衡时间复杂度和分配结果集可容纳邻节点的个数，使得所提的功率分配方法既能在节点上以较短时间运行出结果，又可以尽可能的容纳更多邻节点，通过节点控制其邻节点的发送功率，提高信道的竞争成功率，从而解决网络中的冲突问题。.3）机会路由的转发策略：提出基于优先级的大块数据分发算法。首先根据休眠延时、链路质量建立一棵理论上期望分发完成时间最小的分发树，然后依据所述分发树确定节点的优先级。数据分发节点将根据邻节点的优先级和唤醒时间，动态地切换，充分分析关键节点和传播路径的影响，进而缩短分发完成时间。.4）高效的数据传输机制：提出了一种无线传感器网络中基于快速回复ACK的数据传输方法。该方法缩短了ACK的回复时间，减小了并发传输时网络中分组碰撞的概率，提高了信道利用率；同时可以在ACK中携带有用信息，并利用ACK中携带的源地址信息，从接收方的角度调度竞争方参与竞争的方式，减小了网络中的冲突。.5）占空比无线网络的邻居发现：我们建立了一个刻画邻居发现的数学模型。其次，我们给出了邻居发现所需要满足的充分和必要条件，并且从理论上证明了其正确性。在充要条件的基础上，我们给出了最坏情况下发现延迟的下界，以及如何取得此下界的方法。.我们构建了一个由30个TelosB节点组成的无线传感器试验网络，用于验证所提出的协议或者算法的性能。已发表项目相关论文4篇，其中发表在SCI刊物上的论文2篇，EI刊物上的论文2篇。申请专利18项，已授权专利7项。