面向QoS的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集方法研究.pdf

1、在網(wǎng)絡(luò)泛在化趨勢下，各種新型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用迅速發(fā)展，尤其是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用已從起初的軍事領(lǐng)域轉(zhuǎn)向廣闊的民用領(lǐng)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個主要任務(wù)是傳感器節(jié)點協(xié)作地感知和收集數(shù)據(jù)，并將其傳送到一個或多個Sink節(jié)點，并交給感興趣的用戶進行處理。為了滿足不同的應(yīng)用需求，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集應(yīng)提供不同的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）保障機制。但是，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一些固有屬性使得數(shù)據(jù)收集方法的研究面臨眾多困難。本文從

2、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場景和實際應(yīng)用對QoS的需求出發(fā)，提煉無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集的QoS指標體系；在分析指標參數(shù)相互關(guān)系的基礎(chǔ)上，研究基于數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)相關(guān)性的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集QoS保障機制，設(shè)計數(shù)據(jù)收集的能量效率、網(wǎng)絡(luò)生命周期和延時等QoS指標保障方法，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在各種復(fù)雜環(huán)境下的應(yīng)用和普及提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。
　　本文通過引入圖論、最優(yōu)化和數(shù)學(xué)規(guī)劃等數(shù)學(xué)方法，對基于數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)相關(guān)性的數(shù)據(jù)收集QoS保障方法進

3、行了研究，論文的主要工作和創(chuàng)新點集中在以下幾個方面：
　?。?）提出一種基于多葉節(jié)點生成樹的低延時數(shù)據(jù)融合調(diào)度方法。研究實時應(yīng)用場景下最小延時數(shù)據(jù)融合調(diào)度問題。首先給出了最小延時數(shù)據(jù)融合調(diào)度問題的形式化描述，通過構(gòu)建數(shù)據(jù)融合樹，并設(shè)計相應(yīng)的調(diào)度策略近似解決該問題。依據(jù)多葉節(jié)點融合樹有利于增加同時傳輸?shù)墓?jié)點數(shù)量的思想，提出了一種多葉節(jié)點生成樹構(gòu)建算法，在融合樹基礎(chǔ)上設(shè)計一種最大干擾優(yōu)先調(diào)度機制實現(xiàn)最小延時數(shù)據(jù)融合調(diào)度。最后通過仿真和

4、對比證明了方案的有效性。
　?。?）提出一種保障生命期低延時的數(shù)據(jù)融合調(diào)度方法。研究長期部署和實時應(yīng)用場景下低延時數(shù)據(jù)融合調(diào)度機制，聯(lián)合優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)生命周期和延時等QoS指標。將該QoS指標保障問題建模為限定條件下的優(yōu)化問題，構(gòu)建限定度最小半徑生成樹為數(shù)據(jù)融合樹，該融合樹能提供有保障的生命期，并有利于節(jié)點的并行傳輸；在融合樹的基礎(chǔ)上，設(shè)計一種貪婪調(diào)度算法，尋找沖突圖上的最大獨立集調(diào)度算法實現(xiàn)低延時調(diào)度。最后通過仿真證實本方案在延時和網(wǎng)

5、絡(luò)生命周期的性能上優(yōu)于現(xiàn)有算法，并且在高密度部署的條件下性能更為優(yōu)越。
　　（3）提出一種睡眠調(diào)度無線傳感器網(wǎng)絡(luò)負載平衡的數(shù)據(jù)收集調(diào)度方法。研究節(jié)點睡眠的情況下，數(shù)據(jù)收集的調(diào)度機制，以解決睡眠延時與節(jié)點負載平衡的折中問題。以最短路徑樹作為路由結(jié)構(gòu)，尋找一種相鄰層父親和孩子節(jié)點分配方法，以實現(xiàn)負載平衡，并盡量減少睡眠延時的影響。將節(jié)點調(diào)度分配問題描述為多個目標的優(yōu)化問題，并將該問題轉(zhuǎn)化為尋找加權(quán)二部圖中的最優(yōu)半匹配問題，設(shè)計一種延時

6、最小負載平衡分配的算法，近似解決該問題。模擬實驗結(jié)果顯示，所提算法能顯著地提升延時和網(wǎng)絡(luò)生命周期等QoS性能指標。
　　（4）提出一種基于壓縮感知的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最大生命周期數(shù)據(jù)收集方法。針對基于事件驅(qū)動的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集查詢的長期應(yīng)用需求，基于壓縮感知理論將混合壓縮感知的數(shù)據(jù)收集技術(shù)與數(shù)據(jù)收集樹的構(gòu)建過程相結(jié)合，設(shè)計出一種最大生命周期數(shù)據(jù)收集方法。該方法在數(shù)據(jù)收集查詢到達時，構(gòu)造一棵數(shù)據(jù)收集樹。建樹過程中，利用混合壓縮感知