WSN--MEs數(shù)據(jù)收集關(guān)鍵問題研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)已經(jīng)成為覆蓋大范圍應(yīng)用的一項吸引人的技術(shù)。多數(shù)傳統(tǒng)的WSN體系結(jié)構(gòu)由稠密部署于傳感區(qū)域的靜態(tài)節(jié)點組成，節(jié)點通過單跳或多跳通信將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給基站。近年來，通過在傳統(tǒng)的WSNs中引入移動元素MEs(mobile elements)來提高網(wǎng)絡(luò)的效率成為人們研究的熱點。相比傳統(tǒng)靜態(tài)WSNs，帶有移動元素的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN-MEs)顯著提高了網(wǎng)絡(luò)的能量效率，有效降低了組網(wǎng)成本。然而移動性管理帶來了靜態(tài)WSNs

2、所沒有的諸多挑戰(zhàn)。對WSN-MEs數(shù)據(jù)收集應(yīng)用，依據(jù)不同的場景可以采用不同的模式:對實時性要求高的事件監(jiān)測類應(yīng)用，如何捕獲移動元素軌跡構(gòu)建多跳動態(tài)路由是一個挑戰(zhàn);對采用直接接觸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)收集的應(yīng)用，由于移動節(jié)點的低速會引起較大的數(shù)據(jù)收集時延。據(jù)觀察，數(shù)據(jù)收集時延可以通過局部數(shù)據(jù)匯聚得到有效縮減，該類方法通常聯(lián)合考慮移動性控制和路由。由于傳感節(jié)點受到制作工藝、部署方式和工作環(huán)境等因素的制約，節(jié)點很容易發(fā)生故障。故障節(jié)點的存在為數(shù)據(jù)收集工

3、作帶來了很多不利影響，如收集信息的不精確、能量效率低下、數(shù)據(jù)路由不可靠等。因而，如何從數(shù)目眾多的節(jié)點中識別出故障節(jié)點并且構(gòu)建容錯的路由機(jī)制，進(jìn)而保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性引起了研究者越來越多的重視。
　　本文在深入分析現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，圍繞WSN-MEs中數(shù)據(jù)收集這一核心問題，展開三個方面問題的研究，主要工作包括:
　　1.針對高效容錯的動態(tài)路由構(gòu)建，給出了一種基于格的實時數(shù)據(jù)收集協(xié)議:(1)提出一個基于功率控制的彈性的和均勻的格

4、劃分模式，將網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭澐譃槎S虛擬格結(jié)構(gòu)，以此達(dá)到良好的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性和減少通信時的數(shù)據(jù)傳輸跳數(shù)。(2)提出了一種成員節(jié)點競爭格頭的選舉機(jī)制，將網(wǎng)絡(luò)分成層次結(jié)構(gòu)。該機(jī)制考慮節(jié)點的剩余能量，很好地平衡了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能量消耗，從而可以有效延長網(wǎng)絡(luò)壽命。(3)給出了一個初始最優(yōu)數(shù)據(jù)收集樹的分布式構(gòu)建方法。為了降低數(shù)據(jù)傳輸時延，消息僅在格頭組成的高層骨干網(wǎng)中傳播，有助于降低消息復(fù)雜度。(4)理論分析和仿真結(jié)論證明了本方法的有效性，即在不同的參數(shù)設(shè)定下

5、，協(xié)議均可以達(dá)到較好的效果。
　　2.針對移動元素的路線規(guī)劃問題，給出了中繼跳約束下基于集結(jié)模式的數(shù)據(jù)收集算法:(1)定義了在中繼跳數(shù)約束下基于集結(jié)點RN(rendezvous node)的移動數(shù)據(jù)收集問題MDC-RN(mobile data collection based on rendezvous nodes)，該問題聯(lián)合考慮移動節(jié)點的巡行和匯聚樹中的數(shù)據(jù)路由，并證明了該問題是NP難的。(2)針對定義的MDC-RN問題，我們

6、給出了兩個高效的基于集結(jié)模式的數(shù)據(jù)收集算法加以解決。第一個是從當(dāng)前節(jié)點d跳鄰居中優(yōu)先選擇具有最大負(fù)載節(jié)點作為RN候選的啟發(fā)式算法;第二個算法針對WSNs特征，以分布式迭代確定RN，然后基于確定的RN，使用解決旅行售貨商問題TSP(traveling salesman problem)的相關(guān)算法產(chǎn)生移動節(jié)點的巡行。移動節(jié)點沿該巡行周期性地訪問這些RN，并通過單跳或有限跳收集其上緩存的數(shù)據(jù)。(3)理論分析和仿真實驗驗證了所提出算法的有效性。

7、
　　3.針對數(shù)據(jù)收集的可靠性問題，給出了基于比較模型的節(jié)點故障診斷和容錯路由機(jī)制:(1)探索將比較模型用于WSNs節(jié)點的故障診斷，基于故障診斷的RN選舉消除了故障節(jié)點充當(dāng)RN的可能性，減少了能量的消耗和故障信息的傳播。(2)基于有向無環(huán)圖DAG（directed acyclic graph）構(gòu)建的多路路由機(jī)制，增加了系統(tǒng)的容錯性。(3) RN選擇和多跳路由機(jī)制分別考慮節(jié)點的剩余能量和傳輸代價，二者交替執(zhí)行構(gòu)成基于“輪”的協(xié)議，平