多场景无线传感器网络可靠数据传输机制研究

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无线传感器网络是一种融合了信息感知、信息处理和信息传输等功能为一体的网络。无线传感器网络中的数据传输机制负责将传感器节点采集到的数据传送到汇聚节点。由于无线传感器网络通常由低功耗、功能结构简单的节点组成,节点之间采用无线多跳的方式进行通信,其数据传输质量易受网络流量变化、无线链路干扰、节点移动等网络状态不确定因素的影响。因此,数据传输机制的设计与优化是提升无线传感器网络整体性能的关键,它决定了数据传输过程的有效性、可靠性和传输开销。  本文研究不同场景下的无线传感器网络可靠数据传输机制。在事件驱动型应用场景中,由于网络流量具有突发性,需要及时感知网络拥塞状态变化、创建拥塞避免的路径和寻求合适的可靠数据传输的方法;在面向网络链路间断连通的容迟类应用场景中,节点移动使得难以维护端到端的传输路径,需要及时感知网络链路在时间和空间维度的变化、预测可靠的传输路径以及寻求建立可靠的数据传输方法。因此,这些问题的解决是确保可靠数据传输的关键。本文研究的总体目标是在保障可靠性的同时降低传输时延和传输开销,围绕静态和动态两种场景的核心问题展开深入研究,主要工作和研究成果如下:  (1)面向事件驱动型无线传感器网络,通过构建数据传输成功率模型,系统地比较了逐跳重传、冗余多路径和网络编码多路径三种可靠数据传输机制的可靠性;提出了一种以邻居节点拥塞度量化表示区域拥塞程度的方法,能够较快的反应网络局部区域的拥塞状态,降低网络流量突发对数据传输的影响;在此基础上,将拥塞感知的路由机制与网络编码的数据传输方法相结合,提出了一种基于网络编码的拥塞感知可靠路由协议(NCCAR)。仿真实验表明,NCCAR根据区域拥塞度避免了拥塞区域,并根据链路的可靠度估计数据源需要发送的编码包数量,提高了事件驱动型无线传感器网络数据传输的可靠性。  (2)根据容迟移动传感器网络消息状态转移的特点,提出了一种基于半马尔可夫过程的消息状态转移模型。在该模型下,建立传输机制的性能分析框架。在节点间相遇间隔时间分布服从指数分布的条件下,对四种基本数据传输机制的消息转发时延及转移概率进行了理论推导,并通过实验分析了不同参数对消息转发时延和转移成功率的影响。  (3)面向人携带传感器节点的容迟移动传感器网络,在分析移动轨迹社团特征的基础上,建立异构社团结构网络模型。在该模型下,构建社团间多副本数据转发策略的传输概率模型,提出了一种基于社团结构的多副本数据传输机制(CMDD)。CMDD策略动态计算社团间移动节点的平均相遇间隔时间,并根据传输概率模型估算借助该社团分发副本可获得的成功传输概率。仿真实验表明,CMDD策略能以较低的传输延迟和传输开销获得较高的数据传输成功率。  (4)在对人类移动轨迹的时空特征进行分析的基础上,提出了一种面向容迟移动传感器网络的移动感知模型和节点接触预测方法。在节点相遇历史记录时空信息不够充分的场景下,根据区间数的不确定性理论对节点间接触的不确定性进行描述,并提出了一种改进的基于可能度区间数比较方法。在此基础上,提出一种预测辅助的动态多副本数据传输机制(PADMD)。仿真实验表明,PADMD机制提高了数据成功转发率和降低了端到端分组传输延迟。
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