多通道数据采集无线传感器网络哈马敦·塔勒引用此版本：哈玛顿·塔尔多通道数据采集无线传感器网络的负载均衡。网络和互联网架构[cs.NI]。奥弗涅克莱蒙特大学[2017-2020]，2018年。英语NNT：2018CLFAC006。电话：01919347HAL Id：tel-01919347https://theses.hal.science/tel-019193472018年11月12日提交HAL是一个多学科的开放获取档案馆，用于存放和传播科学研究文件，无论它们是否已这些文件可能来自法国或国外的教学和研究机构，或来自公共或私人研究中心。L’archive ouverte pluridisciplinaireE大学克莱蒙奥弗涅八分之一学校Clermont的科学T'ese我是哈马德·塔尔为了得到等级博士特别是：INFATIqUE滴度：多通道数据采集无线传感器网络Soutenue publiquement le 14 Mai 2018，devant le jury：说唱歌手：M. Herv'eRIVANOpasteur`aNathalieMitton女士里尔国际研究所研究司审查员：M. 蒂埃里·V·L·萨瑟在图卢兹的大学里MmeSaouc`eneMAHFOUDHMCF`aKingAbdulazizUniversitydeJeddahDirecteurdet hese：M. MichelMISSONCo-encadra nt：M. 热拉尔·哈尔胡布在MCF-HDR中，使用C莱蒙一个UVERGNE大学介绍HD THESIS多通道数据采集无线传感器网络著者：Hamadoun TALL主管：Pr. Michel MISSONDr. Gérard CHALHOUB在计算机科学在LIMOS UMR 6158 CNRS实验室工程IIXVII确认我很高兴能有这样一个机会来表达我的感激之情和尊重的人谁帮助了我，当我攻读博士学位。没有他们的支持和鼓励，我走不了这么远。首 先 ， 我 想 对 李 教 授 表 示 深 深 的 感 谢 Michel MISSON 和 GérardCHALHOUB博士，分别是我的论文指导和顾问，感谢他们在本研究期间的出色支持，建议和指导。他们的持续可用性，学术严谨性和经验帮助我养成了良好的研究习惯，并给了我取得成功的意志和力量。非常感谢你们俩我要感谢教授。Hervé RIVANO和Nathalie MITTON博士接受审阅我的手稿并成为我的评审团的一员感谢您的出席以及您的相关和建设性意见。我还要感谢Thierry VAL教授和Saoucène MAHFOUDH博士接受成为我的陪审团的一员。感谢你的评分我还要感谢欧洲区域发展基金（FEDER）2014-2020年计划、奥弗涅-罗讷-阿尔卑斯大区委员会和克莱蒙特-奥弗涅大学数字信托主席对我论文的资助。非常感谢C6办公室的所有同事。很高兴与我的博士生同事们分享办公室：Honoré，Thérèse，Rana，Moussa，Malick，Xavier，David，Jinpeng，Sylvestre和Mouna。感谢您在我们的C6办公室度过的美好时光。我还要感谢LIMOS实验室的所有研究人员，特别是“复制”团队的成员，我在这个团队中完成了我的论文。我们一起度过了很棒的研究和流行时间，太棒了！我还要感谢Val D'Or LRTCS实验室的Nadir Hakem教授在魁北克（加拿大）谁欢迎我在2016年1月为一个月的研究合作。感谢您发送编修。我想特别感谢教授。埃尔韦·里瓦诺教授Fabrice VALOIS及Dr.KhaledBOUSSETTA在CITI实验室（INSA里昂），我在那里做了我的硕士实习。我在CITI度过了一段美好的时光，我学到了很多东西，感谢你们所有人。总而言之，我在CITI的逗留非常有益！我也感谢我以前的大学（里昂克劳德·伯纳德大学1 -UCBL 1和法语国际学院- IFI）的许多人特别感谢M。Alain Boucher（IFI），M. Victor Moraru（IFI），M. Quang NGYEN（IFI），M.Van Nam NGYEN（IFI），M.VinhHo TO（IFI）和M.安东尼·布琼（UCBL1）谁教我，并引导我进入研究工作。最后，也是最重要的，我要向我的父母和我亲爱的兄弟阿卜杜拉耶表达最大的感谢他们相信我，支持我，没有他们的不断支持，我不可能走得那么远. .v摘要无线传感器网络（WSNs）由于其易于部署和自动配置功能而越来越受欢迎它们被用于不同的应用领域，包括数据收集与融合广播的情况。在汇聚播中，网络中收集的所有数据都被指定到一个通常称为接收器的公共节点。在高承载流量负载的情况下，并且取决于所使用的路由策略，这种多对一的数据收集主要在位于汇点附近的节点中导致拥塞和排队。拥塞和排队超过带宽会降低交付率，从而对网络效率产生负面影响。无线传感器节点是资源受限的设备，具有有限的缓冲区大小来存储和转发数据到sink。在无线传感器网络中引入多信道通信有助于增加承载的流量负载，这要归功于允许并行数据传输以及减少竞争和干扰。在高流量负载的情况下，从叶节点向sink行进的数据分组的数量变得更高。如果路由方案不平衡流量负载，则流量负载将在转发节点之间不公平地分配。因此，在路由的一部分中的节点将过载，而其他节点较少使用。过载的节点增加了拥塞的风险，因此，我们需要在高流量负载的网络场景中将路由协议与流量负载均衡方案相结合。本论文的目标是提出一种有效的路由解决方案，以防止拥塞和队列过流在高数据速率收敛的无线传感器网络，在这样的方式，以优化数据传输率在汇聚节点。一方面，我们提出了一种单通道流量负载均衡路由协议，命名为S-CoLBA（单通道协作负载均衡路由）。它依赖于数据转发延迟度量和最佳分数（根据度量的值）下一跳邻居，以在网络中公平地分配每跳基础上的业务负载另一方面，由于多通道通信中的承载流量负载增加，我们调整了我们的贡献以应对多通道WSNs，并将其命名为多通道CoLBA（M-CoLBA）。由于广播信息在多信道中并不直接，我们对M-CoLBA进行了优化，以使用捎带方案来实现网络中的路由信息共享。这个增强版本被称为ABORt，用于基于确认的机会路由协议，并依赖于ACK帧来共享路由信息。这样做有助于优化数据帧端到端延迟，并减少网络中传输的信标ABORt公平地分配网络中的流量负载，避免拥塞和队列过流。我们评估了我们的贡献在两个模拟使用Con的性能tiki OS Cooja模拟器和实验（仅适用于S-CoLBA）在TelosB微尘上。仿真和实验结果证实了我们的路由协议在数据包投递率和队列吞吐量方面的效率，与文献中的一些现有路由协议相比关键词：无线传感器网络，多通道，路由协议，拥塞，排队，负载均衡，汇聚。vi简历Les Réseaux de Capsules Sans Fil（RCSF）sont de plus en plus exploités pardes applications diverses grâce à approprié de deploiement etLes applications decollecte de données qui utilisent les RCSF ont souvent un profilconvergecast：在完成收集颜料的过程中，首先要观察颜料的颜色。Cela est du à lacongestion et au phénomène除了碰撞风险外，还应将有关核武器的文件提交给有关核武器的专家。这两种生活方式都是在一个基础上进行的。由于对这些问题的研究和对这些问题的研究，使人们对这些问题有了更深的认识，因此，在取得进展之前，应将这些问题与其他问题进行平衡在此基础上，我们提出了一种单通道并行负载均衡算法S-CoLBA（Singlechannel Col- laborative Load Balancing Algorithm），一种具有均衡费用的单通道路由协议路由的方法是以通过无线电媒介的速度为基础的Chaque neuudchoisit comme prochain saut à destination du puits ， un de ses voisins ayant ledélais d'accès le plus court. S-CoLBA集成了一种对文件进行永久性监视的方法，以防止文件拥塞，并降低文件的边界D’autre part, nous avons adapter S-CoLBA pour le rendre utilisable dans unréseau Cette version du protocoleM-CoLBA缓解了拥塞，使网络的流量分配均衡。在一个多渠道网络中，存在着支持传播的问题。M-CoLBA介绍了利用同样的通道来交换路由信息的节点的同步过程。这些同步的周期有助于更长时间地进行比赛。我们对M-CoLBA“sur-charcoal”进行了优化，以获取具有路由信息（piggy- backing）和待处理文件的数据。Cela évite de passer par despériodes de synchronization pour diffuser ces information.这一优化版本在一个类型汇聚的传输案例中，ABORT通过收集的数据来实现路由的多样性，这对传输数据的数量和解决方案的鲁棒性是最好的。Les contributions ont été évaluées par simulation et exérimentation dans un réseaumonocanal et multicanal.结果显示，我们的贡献有助于提高患者的生活质量，使患者的生活质量保持乐观，并对现有解决方案的控制量进行了比较。座右铭：réseaux de captosans fill、communication multicanal、protocoles deroutage、congestion、débordement des files d'attente、équilibrage de charge、col-lecte de données。vii内容确认III摘要v1引言和基本原理11.1无线传感器网络 . . . . . . . . . . . . . . .21.2无线传感器网络底层。 . . . . . . . . . . . . . . .31.2.1物理层 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31.2.2链路层。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41.2.3网络层。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41.3融合广播无线传感器网络中的拥塞和排队问题。 . . .41.4动机和假设 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51.5捐款 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61.6论文结构。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62多通道无线传感器网络92.1无线传感器网络中的多信道MAC协议。 . . . . . . . . . . . . . . .92.1.1静态信道分配MAC协议。 . . . . . . . . .102.1.2半动态信道分配MAC协议。 . . . . .112.1.3动态信道分配MAC协议。 . . . . . . . .142.2无线传感器网络中的多信道路由协议。 . . . . . . . . . . . . . .182.3无线传感器网络中的负载均衡和拥塞避免。 . . . . . . . .222.3.1流量控制和数据聚合，以对抗无线传感器网络管理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .232.3.2无线传感器网络中的流量负载均衡。 . . . . . . . . . . . . . .252.3.3无线传感器网络中的流量控制和负载均衡 . . . .293贡献333.1数据采集多通道路由协议中的问题和方法减轻他们。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .343.1.1高流量负载无线传感器网络中的拥塞及其对数据包延迟 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .343.1.2下一跳邻居数对业务负载平衡跳舞 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35使用一个下一跳邻居进行数据传输 . . . . .35使用多个下一跳邻居进行数据传输 . .373.1.3多信道通信393.1.4摘要 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .403.2 M-CoLBA：多通道协同负载均衡算法避免了队列溢出。 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40VIII3.2.1M-CoLBA中的邻域发现和前驱选择41前代选择423.2.2信道分配方案..............................................................................423.2.3路由度量计算和扩散..................................................................43节点延迟计算43数据传输和路径延迟计算463.2.4M-CoLBA路由度量分发............................................................ 473.2.5M-CoLBA48中的负载均衡和队列溢出避免Traf fic load balancing流量负载平衡48队列过流预防：动态邻域WSNs中的分组队列行为51队列过流预防：队列占用监控。 533.3S-CoLBA：CoLBA..................................................................................54的单通道版本3.3.1M-CoLBA和S-CoLBA................................................................543.3.2一些仅由S-CoLBA......................................................................54使用的方法S-CoLBA55中的路由度量扩散和开销优化3.3.3M-CoLBA和S-CoLBA................................................................55总结3.4ABORt：基于确认的路由协议。563.4.1ABORT中的路由度量分发........................................................ 563.4.2在ABORt......................................................................................57中触发顶级列表更新3.4.3ABORt和M-CoLBA中接收器的无线电接口数量....................583.5结论............................................................................................................ 584结果594.1Contiki操作系统.......................................................................................4.2Cooja模拟器.............................................................................................594.3CoLBA导致单通道和多通道网络..........................................................614.3.1数据包传输率..............................................................................634.3.2以每秒..........................................................................................654.3.3数据包丢失，由于排队..............................................................超过664.3.4网络开销......................................................................................674.3.5端到端数据包延迟......................................................................694.4ABORT绩效评估.....................................................................................4.4.1数据包传输率..............................................................................724.4.2KB/S73中的吞吐量评估.............................................................4.4.3数据包丢失，由于队列超过......................................................744.4.4间接费用评估..............................................................................4.4.5端到端数据包延迟......................................................................774.5实验评估...................................................................................................794.5.1实验环境......................................................................................79IX4.5.2实验的网络设置和参数..............................................................4.5.3实验情景的PDR结果..................................................................804.5.4KB/S82中的吞吐量评估.............................................................4.6摘要...........................................................................................................845结论和展望875.1结论...........................................................................................................875.1.1负载平衡和队列溢出避免..........................................................875.1.2优化开销和数据端到端延迟......................................................885.1.3实验评价......................................................................................885.2前景...........................................................................................................885.2.1与更多多通道协议......................................................................885.2.2修改机制和参数..........................................................................89在ABORt中添加新节点89能耗优化89使用较长的数据包队列大小进行评估895.2.3实验巩固......................................................................................895.2.4拓扑修改......................................................................................90评估超过80个节点的网络场景90节点移动性情景中的评估90A 时隙和非时隙CSMA/CA算法A.1非时隙CSMA/CA.....................................................................................93A.2时隙CSMA/CA.........................................................................................93B使用Contiki OS97B.1在TelosB motes................................ 97上上载应用程序代码之前的处理B.1.1第一步：将mote连接到Contiki OS............................................97B.1.2第二步：通过mote.................................97检测使用的串行端口B.1.3第三步：为串口..................................................98分配读写权限B.2在实验.......................................................98之前，对每个微粒进行标记B.3在mote...........................................99上使用Contiki操作系统的协议代码xi图目录1.1无线传感器网络的一个例子（a）和传感器节点的典型架构（b）。. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11.2无线传感器网络的一个例子。两个节点之间箭头的粗细反映了数据流量他们之间 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21.3OSI协议栈与无线传感器网络协议栈的比较。 . . . . . . . . . .32.1TMCP通道分配策略。在所提出的方案中，使用频率为1、2的3 [18]。.....................................................................................................102.2MC-LMAC时隙和信道分配的示例的节点与”？“正在寻找配对时隙/频率132.3TSCH时隙帧和时隙。............................................................................ 152.4用于数据收集的TSCH可能链路调度的示例，9节点树形拓扑方案。.............................................................................152.5一个例子的MCC平衡路由树与10个节点的网络场景。除了具有ID1的节点之外，其他节点调度的传输时隙被标记。...................................192.6HMC全球周期。[T0 T1]是同步周期，[T1 ; T2]专用于数据交换，[T2 ;T0]是用于节省能量的休眠周期202.7用于数据转发的HMC网络分段在这个举例中我们有两个集团和六个分支机构。...............................................................212.8具有5个节点的IEEE 802.11无线网络场景的示例以说明基于接收器的拥塞检测。...........................................................242.9一个无线传感器网络的情况下，一个事件，以通知汇。sink只对收集事件半径内的传感器节点的信息242.10 带有CN字段的数据包的格式，该格式被标记以提醒[36]第36话................................................................................................252.11 GMCAR使用的网格传感器网络场景示例网络被划分为16个网格，其中一个主节点用红色标记每个网格。...............................................................................................272.12 一个例子的GMCAR路径后，无效的网格号码282.13 事件区域中的代表节点选择。在给定的半径中，仅允许一个节点向宿发送事件col。选择的数据303.110节点网络场景，其中6个源节点转发数据包经由三个公共下一跳邻居1、2和3发送到信宿。.................................36xii3.2(a)节点3是所有下游节点的下一跳，因为它是最好根据路由度量。...............................................................................363.3(b)节点1成为所有下游节点的下一跳，它现在具有路由度量363.4(a)由叶节点在时间t1=35s选择下一跳邻居.........................................383.5(b)由叶节点在时间t2=40s选择下一跳邻居........................................ 383.6M-CoLBA信标和数据阶段。 网络由一个信标构建拓扑并将通道分配给节点的阶段。413.7在该网络场景中，节点8是蓝色的。.............................................................................................423.8在这个14节点网络场景中，节点8的1跳、2跳和3跳邻居用蓝色和黄色表示节点8的前身是节点5，黄433.9在这个14节点网络场景中，节点8的1跳、2跳和3跳邻居显示为蓝色。每个节点的接收信道被标记。节点有一个接收信道，除了接收器有3个。.........................................443.10 节点队列中的k个数据包。 数据包被入队和出队使用FIFO策略453.11 节点延迟d计算，其中权重因子α用于5个最老的排队延迟，β用于最新的出队的5个分组的延迟。463.12 14-节点网络场景，其中节点延迟d和路径延迟D在每个节点的左侧用d/D值标记。d和D表示为以毫秒为单位。.......................................................................................473.13 节点延迟d和路径延迟D。在每个节点的左侧，d/D值。节点9顶部列表包含红色圈出的节点7、8和4。 503.14 14节点网络场景，其中节点9顶部列表包含2个相邻节点，bors，节点4和8用红色圈起来。............................................................503.15 14节点网络场景，其中节点9顶部列表包含3个相邻节点，bors，节点14、7和8用红色圈出。........................................................513.16 示出了非叶节点队列状态转换的示例。时间533.17 k-x表示队列占用率的临界阈值，k-m表示信任阈值，k表示队列大小。当达到临界阈值时，发送节点被警告停止向邻居发送。如果达到信任阈值，则再次可以从其邻居接收数据。.......................................................................543.18 MAC层标准ACK帧的字段。的数量每个字段的字节数都已显示。...............................................................563.19 修改后的ACK帧的MAC层字段，其中添加了两个字节的字段（度量）以捎带度量值。...............................................................................574.1每个节点每秒生成1个数据包的数据包传输率不同的网络规模。...................................................................................634.2每秒生成5个数据包的数据包传输率不同网络规模的节点。...........................................................................644.3每秒生成10个数据包的数据包传输率不同网络规模的节点。...........................................................................64xiii4.4根据所提供的吞吐量，以kb/s为单位加载G。G从4kb/s逐渐增加到320 kb/s。 . .654.5在不同的网络规模中，每个节点每秒生成5个数据包时，由于队列超过队列而丢失的数据包的百分比。.......................................................664.6由于队列超过队列而丢失的数据包的百分比在不同的网络规模中，每个节点每秒10个数据包。...........................664.7不同网络规模下每个节点每秒生成1个数据包的流量开销。.............684.8不同网络规模下每个节点每秒产生5个数据包的流量开销684.9每个节点每秒生成10个数据包的流量开销具有不同的网络大小684.10 端到端延迟，10个节点的场景，每个节点每秒生成1个数据包。.....704.11 端到端延迟，80个节点，每个节点每秒生成10个数据包。...............704.12 每个节点不同的网络规模。...................................................................................724.13 每个节点每秒生成5个数据包的数据包交付率不同的网络规模。...................................................................................734.14 每个节点每秒生成10个数据包的数据包交付率不同的网络规模。...................................................................................734.15 根据所提供的吞吐量，以kb/s为单位加载G。G从4kb/s逐渐增加到320 kb/s。........................744.16 数据包生成速度为每秒5个数据包时的队列超流率每个节点具有不同的网络场景。...........................................................754.17 每秒生成10个数据包时的队列超流率每个节点具有不同的网络场景。...........................................................754.18 每个节点每秒生成1个数据包的数据包生成开销.................................764.19 每个节点每秒5个数据包的数据包生成开销.........................................764.20 每个节点每秒10个数据包的数据包生成开销.......................................764.21 数据包端到端延迟取决于从源的跳数节点到sink。每个节点每秒生成1个数据包..........................................784.22 数据包端到端延迟取决于从源的跳数节点到sink。每个节点每秒生成5个数据包..........................................784.23 数据包端到端延迟取决于从源的跳数节点到sink。每个节点每秒生成10个数据包........................................784.24 使用TelosB微粒和它们的电池进
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