【摘要】：可充電無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Energy Harvesting Wireless Sensor Networks,EH-WSNs)是由大量的可充電節(jié)點組成的,通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。EH-WSNs可以動態(tài)地從外界獲取能量,因此它解除了有限電池能量的限制,網(wǎng)絡(luò)性能較好,適用范圍較廣。機會路由協(xié)議充分利用了無線信道的廣播性和時變性,通過選擇轉(zhuǎn)發(fā)集進行機會性的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā),可以有效降低網(wǎng)絡(luò)中的時延和丟包率。本文主要研究EH-WSNs中的機會路由協(xié)議。在EH-WSNs中,為了利用從外界獲取的能量,節(jié)點可以自主地調(diào)節(jié)占空比或傳輸功率,適當?shù)卦黾有褋淼臅r間或提高相關(guān)鏈路質(zhì)量,以求在數(shù)據(jù)包傳輸時能降低時延,提高成功率。然而,為了適應(yīng)這種網(wǎng)絡(luò)特點,機會路由協(xié)議需要進行一些調(diào)整:在轉(zhuǎn)發(fā)集選擇環(huán)節(jié),機會路由協(xié)議需要考慮到鄰居節(jié)點工作狀態(tài)的變化,動態(tài)地更新轉(zhuǎn)發(fā)集中的成員和優(yōu)先級。在能量管理環(huán)節(jié),機會路由協(xié)議需要合理地利用能量,準確地調(diào)節(jié)節(jié)點占空比或傳輸功率。本文設(shè)計出兩種EH-WSNs中新型的機會路由協(xié)議,分別適用于動態(tài)節(jié)點占空比和動態(tài)節(jié)點傳輸功率的場景:(1)本文設(shè)計了一種動態(tài)節(jié)點占空比場景下的機會路由協(xié)議(Opportunistic Routing in EH-WSNs with Dynamic Duty Cycle,ORDDC)。在本場景中,為了合理地利用從外界獲取的能量,每個節(jié)點都可以自主地調(diào)節(jié)占空比。因此,對發(fā)送節(jié)點來說,處于醒來狀態(tài)的鄰居節(jié)點的成員及數(shù)量可能隨時變化,并且很難通過計算得知其規(guī)律。ORDDC可以幫助發(fā)送節(jié)點通過信息交互的方式獲取鄰居節(jié)點的占空比信息,并且動態(tài)地更新轉(zhuǎn)發(fā)集中的成員和優(yōu)先級,保證參與轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點都處于醒來狀態(tài),降低了時延和丟包率。同時,ORDDC在調(diào)節(jié)節(jié)點的占空比時,綜合考慮了當前的能量狀態(tài)和未來的趨勢,能平衡節(jié)點能量的獲取與消耗。仿真結(jié)果表明,ORDDC可以有效地降低時延,提高傳輸成功率。(2)本文設(shè)計了一種動態(tài)節(jié)點傳輸功率場景下的機會路由協(xié)議(Opportunistic Routing in EH-WSNs with Dynamic Transmission Power,ORDTP)。在本場景中,為了合理地利用從外界獲取的能量,每個節(jié)點都可以自主地調(diào)節(jié)傳輸功率,而傳輸功率會影響相關(guān)的鏈路質(zhì)量,進而影響傳輸代價。因此,對發(fā)送節(jié)點來說,選擇相同節(jié)點作為下一跳的傳輸代價可能隨時變化,并且很難計算出其規(guī)律。ORDTP可以幫助發(fā)送節(jié)點在及時收集鄰居節(jié)點的信息,準確估算傳輸代價,動態(tài)地更新轉(zhuǎn)發(fā)集中的成員和優(yōu)先級。在進行數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)策略設(shè)計時,ORDTP還考慮到了轉(zhuǎn)發(fā)集中成員數(shù)量可能過多或過少的問題,穩(wěn)定了實際參與轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點數(shù)量,并優(yōu)先選擇傳輸代價小的節(jié)點進行數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。同時,ORDTP綜合考慮了節(jié)點能量的當前狀態(tài)和未來趨勢,可以更準確地調(diào)節(jié)傳輸功率。仿真結(jié)果表明,ORDTP可以有效地降低時延,提高傳輸成功率,降低數(shù)據(jù)包冗余率。兩種協(xié)議在設(shè)計上的共性如下所示:兩種協(xié)議都可以高效地利用節(jié)點從外界獲取的能量,動態(tài)地調(diào)節(jié)節(jié)點的工作狀態(tài)(如:占空比和傳輸功率)。兩種協(xié)議都可以動態(tài)地更新每個發(fā)送節(jié)點中轉(zhuǎn)發(fā)集的成員和優(yōu)先級。兩種協(xié)議都采用相似的傳輸模型和信息交互機制。兩種協(xié)議在設(shè)計上的差異如下所示:兩種協(xié)議可以調(diào)節(jié)的節(jié)點參數(shù)不同(一種是占空比,一種是傳輸功率),相應(yīng)的調(diào)節(jié)策略也不同。兩種協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)集的選擇策略不同,相應(yīng)度量標準也不同。兩種協(xié)議采用的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)策略不同,適用場景也不同。
【學位授予單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TP212.9;TN915.04
【圖文】：

性的數(shù)據(jù)包傳輸策略。逡逑本節(jié)設(shè)計的數(shù)據(jù)包傳輸策略采用一種轉(zhuǎn)發(fā)集多層優(yōu)化的機制，來確定最終的逡逑轉(zhuǎn)發(fā)集，其主要流程如下所示：如圖３．２，首先，ＯＲＤＤＣ通過一種成熟的Ｍｅｔｒｉｃ逡逑（ＥＤＣ［４６］），為每個節(jié)點建立一個候選轉(zhuǎn)發(fā)集（ｃａｎｄｉｄａｔｅ邋ｆｏｒｗａｒｄｉｎｇ邋ｓｅｔ）邋５＾。逡逑接著，根據(jù)Ｖ中候選節(jié)點的占空比信息，并為每個節(jié)點建立一個實際轉(zhuǎn)發(fā)集逡逑（ａｃｔｕａｌ邋ｆｏｒｗａｒｄｉｎｇ邋ｓｅｔ）邋５＂＂。＞Ｓａ是義的一個子集，但中的所有成員都處于醒逡逑來狀態(tài)。最后，本節(jié)設(shè)計一個新型的Ｍｅｔｒｉｃ，動態(tài)期望傳輸代價（ｅｘｐｅｃｔｅｄ邋ｄｙｎａｍｉｃ逡逑ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ邋ｃｏｓｔ，邋ＥＤＴＣ）。ＯＲＤＤＣ將Ｖ中的節(jié)點根據(jù)ＥＤＴＣ劃分優(yōu)先級，并且逡逑建立一個實際轉(zhuǎn)發(fā)列表（ａｃｔｕａｌ邋ｆｏｒｗａｒｄｉｎｇ邋ｌｉｓｔ）邋Ｃ，每個節(jié)點都根據(jù)它的轉(zhuǎn)發(fā)逡逑數(shù)據(jù)包。通過，發(fā)送節(jié)點可以及時地知道那些候選節(jié)點處于醒來狀態(tài)，以及逡逑選擇哪些候選節(jié)點的傳輸代價較小。逡逑２５逡逑

—邐傳輸代價逡逑圖３．１傳輸模型和信息交互機制示例逡逑本節(jié)采用的信息交互機制省去了詢問數(shù)據(jù)包，而在ｂｅａｃｏｎ包中包含信息，逡逑可以有效降低網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包冗余。另一方面，發(fā)送節(jié)點可以通過本機制及時地逡逑獲取鄰居節(jié)點的狀態(tài)信息，并基于這些信息做出準確的路由決策。逡逑３．邋２．邋２機會性的數(shù)據(jù)包傳輸策略逡逑在本場景中，節(jié)點的占空比是動態(tài)和異構(gòu)的，機會路由協(xié)議必須及時更新轉(zhuǎn)逡逑發(fā)集中的成員和優(yōu)先級。為了解決上述問題，我們在ＯＲＤＤＣ中設(shè)計了一種機會逡逑性的數(shù)據(jù)包傳輸策略。逡逑本節(jié)設(shè)計的數(shù)據(jù)包傳輸策略采用一種轉(zhuǎn)發(fā)集多層優(yōu)化的機制，來確定最終的逡逑轉(zhuǎn)發(fā)集，其主要流程如下所示：如圖３．２，首先，ＯＲＤＤＣ通過一種成熟的Ｍｅｔｒｉｃ逡逑（ＥＤＣ［４６］）

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