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异步无线传感网络中的全网广播是一项最基本的网络服务,主要应用于环境监测、软件更新等场景。无线传感网络中的传感节点大多数由电池提供能量,所以网络中的能量有限,而转发数据包的多少对节点能量的消耗有重要影响,因此数据包的转发次数通常被用来反映全网广播的传输代价。而在异步无线传感网络中,由于节点采用了睡眠调度策略,引入了大量的额外等待时延,使得在异步无线传感网络中,单跳地数据广播可能是通过多次单播实现的。因此,在设计异步传感网络的广播协议时,不仅要考虑如何减少网络的传输代价,也要考虑如何降低广播过程中的等待代价。本文主要的研究内容和创新点总结如下:
(1)在全网广播能覆盖全网的前提下,综合考虑网络的传输代价和等待代价,提出了一种基于传输代价最优树的广播协议,即在传输代价最优树的基础上引入机会转发机制。首先,以网络的传输代价为依据为网络建立一棵以源节点为根的广播树以保证广播在全网覆盖的前提下将数据冗余降到最低。而在调度未知的网络中,引入机会合作转发策略,以进一步降低由异步调度本身引起的额外的等待代价。在机会合作机制中,在单跳范围内通过比较发送方与其下一跳节点之间的等待时延坐标,从中选择时延最小的节点作为下一跳转发节点。这种在调度未知的网络中应用的广播策略同时考虑了传输代价和等待代价。
(2)在异步无线传感网络中如何平衡广播中的能耗和等待时延是一个关键问题。网络中靠近源节点的节点在广播过程中有可能会消耗较多的能量,应该着重考虑这些节点地能耗节省问题。而对于那些离原节点距离较远的节点来说,则主要考虑其等待时延的减少问题。以此,提出一种网络时延和能耗自适应的广播方案,首先,根据节点的地理位置,用跳数信息为每个节点建立位置坐标。在跳数坐标的基础上,节点可以根据自身到源节点的远近自适应的采用节省能耗方案还是采用节省时延的方案来优化广播过程。
(3)网络的时延对实时的异步无线传感网络是非常重要,为了让广播数据包在限定的时间内完成广播,提出一个时延受限的广播策略。首先,为网络建立一个宽度优先广播树,来减少网络的传输时延。并将限定的端到端时延合理的分配到单跳链路中,并使用一个调整因子对这个上限进行相应的调整,让下一跳节点分享上一跳节点中的剩余时延。然后,根据单跳等待时延上限,为每个节点建立一个醒来节点的集合,从中选择能耗最优的节点进行数据包的广播,降低网络的能量消耗。