绿色无线汇聚传感器网络的聚合拓扑与传输研究

In the project, face to the challenges of green data gathering sensor networks, such as constrained battery, wireless losses and collisions, we will do some research in the fields of network topology, sensor access control, and cooperative communication techniques. The combined optimization methods on energy efficiency, frequency efficiency, and inference alignment will be developed from the view networks, links, and nodes, respectively. The main objective of data gathering networks is to collect raw datum from sensors, and relay them to the sink. In general, the sensors generate the data periodically from the snapshots. The data in the network are correlated either in time domain or in space domain. We will develop a tree-based interference-free data gathering topology considering the data aggregation/fusion operations for the whole networks, which is the base of the project, and we also will investigate the capacity of the tree-structure in the interference model. We will design a cross layer hybrid access control and nodal sleep scheme, which is to utilize the frequency resource efficiently. We also will propose a cooperative communication approach combining network coding and HARQ techniques. These techniques can minimize the power consumption for data transmission, reduce the probability of transmission collision, and improve the efficiency of channel utilization.

为了实现无线汇聚传输的绿色化，在本研究中，针对无线汇聚网络带来的挑战，将从网络结构、信息传输、和节点控制等三个方面着手研究，从网络级、链路级、节点级等三个层次，实现满足数据传输需求下的能量效率、频谱效率和电磁污染的联合优化。数据汇聚型的传感器网络以数据收集为主要工作任务，节点周期性的采集并产生具有时空相关性的含有有用信息的原始数据，本课题将在网络层面上构建避免多层干扰的具有动态聚合标准的聚合拓扑并分析其网络性能，在节点层面上研究基于混合接入控制的多层次动态节点睡眠调度和接入方法，在链路层面上研究结合网络编码和HARQ技术的协作传输方法，来降低传输功率，减少传输碰撞，提高信道利用率，综合实现绿色无线汇聚传感器网络。

本课题主要面向无线汇聚传感器网络的应用，针对信息传输面临的动态非对称拓扑、数据的聚合需求、节点的能力受限和开放空间复杂干扰等带来的动态拓扑、节点调度与接入、时变干扰与解脱，以及网络效能、传输质量需求间的技术挑战和难题，基于网络信息论、控制理论、随机矩阵等基础理论和方法，围绕动态汇聚拓扑结构、节点时变睡眠调度与接入控制、自适应协作编码传输等３个科学问题，主要从网络层面、节点层面和链路层面三个方面出发，分别进行了无线传感器网络拓扑技术、数据汇聚传输网络的节点睡眠调度与接入控制方法，以及基于网络编码的HARQ技术等方法的研究。.在网络层面上，提出了的具有时延意识的拓扑控制算法，通过将网络构建为2的n次幂的结构，使网络的整体传输时延仅与网络中的节点总数有关，且被以2为底的log函数限制在一个相对较小的范围内。在节点层面上，分别针对TDMA和异步传输两种机制，提出了两种节能的睡眠调度算法，通过调整网络中父子节点之间、兄弟节点之间的唤醒时间关系，降低网络中簇头节点的空闲侦听时间，节省能耗；考虑网络中多种汇聚节点时可能存在网络拓扑关系，提出适用于无线汇聚网络编码节点的选择方法，随着网络拓扑的动态变化而进行选择合适的编码节点，提高网络效率。在链路层面上，提出了将网络编码和HARQ相结合用于无线网络的数据重传的方法，将错误数据包两两进行网络编码后发送，以减少重传次数。在接收端，将网络编码包和首次传输数据包联合进行迭代解码；提出快速协作节点选择的协作接入控制方法，通过协作节点分阶段竞争，采用尽可能少的时隙来实现协作节点的有效选择，来提高协作效率。.经仿真结果表明，通过上述研究方法，可以保证数据传输的实时性，降低网络能耗，使网络能耗均匀分布，延长网络寿命，提高网络吞吐量，减少重传次数，从多方面实现了无线汇聚传输的绿色化。