无线传感器网络中的时间关键数据交付与移动事件跟踪

### 无线传感器网络中的时间关键数据交付与移动事件跟踪 #### 1. 无线传感器网络中的GinMAC协议 在无线传感器网络中，节点开启后需要完成一系列操作以实现高效的数据传输。 - **时间同步**：节点开启后，需先与网络进行时间同步。网络中传输的控制和数据消息都可用于实现时间同步。节点持续监听，截获来自汇聚节点或已在网络中运行的节点的数据包。截获一条消息后，由于每条消息都携带其传输时隙的信息，节点就能知晓GinMAC帧的起始时间。 - **拓扑定位**：节点要在定义的拓扑范围内找到自己的位置。新节点会监听所有时隙的数据包，已加入网络的节点会在传输的数据包头字段中公布潜在可用位置。例如，图中位置为N - 1 - 1 - 0的节点，在向其父节点N - 1 - 0 - 0传输的数据包头中公布位置N - 1 - 1 - 1可用。新节点可在公布节点为潜在子节点分配的时隙中传输数据包来声明该位置，若收到传输确认，新节点就成功在拓扑中占据该位置。 - **节点配置与连接**：节点可配置允许连接的有效节点列表，以确保仅通过已知的良好链路尝试加入网络。若节点在运行中发现某条链路不符合良好链路标准，可选择通过其他链路连接网络，此时需通知潜在子节点。若节点与父节点失去连接（通过一个GinMAC帧内数据传输失败判断），会重新监听所有时隙以寻找有效连接点。 为验证GinMAC是否能满足应用需求，进行了相关评估： - **评估设置**：理想情况下应在工业环境（如GALP炼油厂）进行评估，但因健康安全规定和可能对生产的干扰，评估测试床部署在办公楼走廊。节点置于金属门框上，通信链路丢包率可达20%。目标平台使用CC2420收发器，时隙长度选10ms，能满足最大有效负载数据包的处理、传输及硬件确认。实验中所有数据包大小为44字节，传输、接收和监听任务时间分别为tl = 0.128ms，te = tf = 1.952ms，每10帧进行一次时间同步。目标是支持DS = 1s的延迟界限和最高f = 1Hz的流量速率。节点被强制组成深度H = 3、包含N = 15个节点的静态二叉树拓扑，使用“良好链路”，且Bmax = 1，Bmin = 1。评估中不使用自动拓扑形成机制，采用三种配置： - **配置A**：仅使用基本时隙，SB = 34，SupB = 34，SdownB = 0，因评估网络无执行器。系统设置为可提供DS = 1s的延迟界限，但无处理数据包丢失的机制。添加SU = 66个未使用时隙使GinMAC帧大小为F = 100时隙，对应10ms时隙大小的延迟界限DS。空闲网络中，叶节点最佳占空比为0.21%；全流量负载下，汇聚节点下的节点最坏占空比为2.56%。 - **配置B**：使用SB = 34个基本时隙和SA = 34个额外时隙，以应对Bmax = 1和Bmin = 1的最坏信道特性。传输失败时，使用额外时隙重传。添加SU = 32个未使用时隙使GinMAC帧大小为F = 100时隙，提供DS = 1s的延迟界限。空闲网络中，叶节点最佳占空比为0.21%；全流量负载下，汇聚节点下的节点最坏能耗为5.09%。 - **配置C**：同样使用SB = 34个基本时隙和SA = 34个额外时隙，额外时隙用于实现第二个不相交拓扑。节点通过两个二叉树拓扑传输数据以补偿丢失。添加SU = 32个未使用时隙使GinMAC帧大小为F = 100时隙，提供DS = 1s的延迟界限。空闲网络中，叶节点最佳占空比为0.41%；全流量负载下，汇聚节点下的节点最坏占空比为5.09%。 在实验中，节点以(0.1Hz ≤ f ≤ 1Hz)的流量速率发送数据包，记录所有节点的占空比δ和汇聚节点的消息传递可靠