基于信标分集的传感网睡眠调度机制

Low power consumption is the basic requirement for the wireless sensor networks (WSN). Sleep scheduling mechanism based on synchronized wake-up is one of the main methods for reducing energy consumption of WSN. However, due to the accumulated random synchronization errors in synchronized sleep scheduling, the nodes in WSN must periodically exchange beacons to calibrate their clocks, thus contribute relatively high synchronization overhead. This project proposes a synchronized sleep scheduling mechanism based on time diversity of beacons. A node sends several noncontinuous beacons in a synchronization process, assuring that the receiving node quickly captures one of its beacons in a given wake-up time with the least overhead and the maximum probability. So it will reduce the idle listening energy consumption of waiting beacons and the total consumption of sending and receiving beacons. In this project, we will study the beacon diversity with non-linear programming method and explore the optimalization of beacon sending number and sending time, aiming to achieve the low-overhead time synchronization and ultra low-power on-demand sleep scheduling in WSN. In our previous research, we have found the iterative optimal solution and the analytical sub-optimal solution for beacon diversity. The results of simulation and experiment show that the synchronized sleep scheduling mechanism based on beacon diversity can reduce the duty cycles of time synchronization by more than 60%. The proposed research would therefore achieve that the synchronization overhead is reduced dramatically with the maximized network lifetime.

低能耗是无线传感网（WSN）的基本要求。基于同步唤醒的睡眠调度机制是降低传感网能耗的主要方法之一。然而，在同步睡眠调度机制中，由于随机同步误差的存在和积累，节点间需要周期性的收发信标(Beacon)进行时钟校准，带来较大的同步开销。本项目提出一种基于信标时间分集的睡眠调度机制，通过在同步过程中发送多个不连续信标，保证被同步节点在规定唤醒时间内以最小的开销和最大的概率尽快捕获到信标，减少等待信标的空闲侦听能耗，以及收发信标的总能耗。本项目用非线性规划的方法进行信标分集的研究，探索信标发送数目和时间点的最优化问题，为在传感网中实现低开销的时间同步和超低功耗的按需睡眠调度奠定基础。在前期的工作中，已寻找到信标分集的迭代最优解，以及可实现的解析次优解。实验表明，基于信标分集的睡眠调度可以降低时间同步的占空比60%以上。因此我们有信心通过本项目的研究，显著降低传感网的同步开销，最大化传感网的生存期。

同步睡眠调度机制是实现无线传感网低能耗长期可靠运行的保证。本项目用非线性规划的方法对同步信标收发能耗进行研究，提出了信标的时间分集和空间分集方法，探索信标发送数目、时间点和接收策略的最优化问题。首先分析了信标丢失的主要原因，包括同步误差造成收发节点睡眠调度不一致以及无线链路的不可靠的问题；其次建立了在不可靠链路和不同步睡眠调度的情况下信标收发的数学模型，分析单信标与多信标的捕获概率，以及收发信标之间的能耗平衡；进而提出了可靠链路条件下的信标分集最优策略，并研究了不可靠链路下的信标分集策略。在此基础上，还分析了信标分集方案中节点同步误差的时间相关性，提出了基于自适应线性预测的时间同步方法；分析了信标分集方案中传感节点时间粒度（分辨率）对节点能耗的影响，提出了根据节点工作状态自适应调节时间分辨率的方法。通过在cooja网络仿真器上的仿真与在tmote平台上进行的实验测试，结果表明，信标分集比单信标方案以及时间同步方法RTSP可节省能量40%和30%左右，且信标分集的最优解与次优解的性能相差很小，实际应用场景中可用低复杂度的次优解实现。综合以上结果，本研究为探讨在传感网中实现低开销和高精度的时间同步和睡眠调度奠定坚实的基础。项目资助发表SCI期刊论文4篇，待发表1篇；EI会议论文3篇。培养在读硕士生1名，协助培养博士生1名，已取得博士学位。项目投入25万元，支出15万元。剩余经费10万元，计划用于本项目后续支出。