無線傳感網(wǎng)絡有效的數(shù)據(jù)收集問題研究.pdf

1、無線傳感網(wǎng)絡是由大量傳感節(jié)點以自組織方式形成的多跳網(wǎng)絡，而數(shù)據(jù)收集是無線傳感網(wǎng)絡中最基本、也是最重要的操作之一。傳感節(jié)點采集本地感應的數(shù)據(jù)，經(jīng)過多跳路由發(fā)送至基站，并最終轉發(fā)給外界用戶。由于目前的傳感節(jié)點由干電池或紐扣電池來供電，因此設計能量有效的數(shù)據(jù)收集協(xié)議是無線傳感網(wǎng)絡研究中的一個挑戰(zhàn)性課題。另外，低延遲是無線傳感網(wǎng)絡應用中最典型的服務質量(QoS)要求，因為低延遲的數(shù)據(jù)收集協(xié)議對于及時獲取監(jiān)視區(qū)域內(nèi)的異常，避免災害發(fā)生或降低災害損

2、失都有著舉足輕重的意義。 本文主要研究能量或/與延遲有效的數(shù)據(jù)收集問題：覆蓋保持的數(shù)據(jù)收集、面向數(shù)據(jù)收集的節(jié)點布置和無干擾的節(jié)點調(diào)度方法。并在理論研究成果的基礎上，針對古建筑火災監(jiān)測的應用需求，我們研發(fā)了基于傳感網(wǎng)絡的火災監(jiān)測系統(tǒng)。 覆蓋保持的數(shù)據(jù)收集是研究如何在網(wǎng)絡的活動節(jié)點密度與節(jié)點傳輸半徑實現(xiàn)折衷優(yōu)化的問題。在傳感網(wǎng)絡中，如果活動節(jié)點密度高，則會產(chǎn)生大量的冗余數(shù)據(jù)，消耗較多的能量；反之，若活動節(jié)點較少，則節(jié)點間的通

3、信距離較大，其結果導致每次傳輸能耗較大。因此，本文首次定義了覆蓋保持的數(shù)據(jù)收集問題，即在保證覆蓋的前提下構造能量最優(yōu)的數(shù)據(jù)收集樹。該問題可以轉換為整型線性規(guī)劃，本文提出了一個啟發(fā)式算法CPDG(Coverage-Preserving Data，Gathering)來解決該問題。仿真實驗表明，CPDG算法能大大提高已有網(wǎng)絡的性能，如與PEDAP算法相比，可以節(jié)省30％的能耗。為進一步提高網(wǎng)絡生命期，我們又提出了能量平衡的算法BCPDG(B

4、alanced Coverage-Preserving Data Gathering)，其特點是當收集樹上的部分節(jié)點能量即將耗盡時，根據(jù)網(wǎng)絡節(jié)點剩余能量重新構造覆蓋收集樹，以達到平衡節(jié)點間的能量消耗、擴展網(wǎng)絡生命期的目的。 在面向數(shù)據(jù)收集的節(jié)點放置問題中，m個數(shù)據(jù)源節(jié)點和基站都固定地分布在給定的區(qū)域中，如何通過放置n個中繼節(jié)點來節(jié)省網(wǎng)絡的能量消耗。本文首先針對線性網(wǎng)絡模型提出了能量有效的節(jié)點配置算法；為了能有效地應用于二維平面模

5、型，我們提出了基于矢量的中繼節(jié)點放置算法。該算法在數(shù)據(jù)源節(jié)點位置和中繼節(jié)點數(shù)確定的情況下，通過新穎的向量切割法計算中繼節(jié)點的放置位置。模擬實驗結果表明，在源節(jié)點和中繼節(jié)點數(shù)之比為1：2時，該算法得到的網(wǎng)絡能耗比常規(guī)配置算法節(jié)省50％左右，該模式已在我們實現(xiàn)的火災預警原型系統(tǒng)中得到應用。因為在實際應用系統(tǒng)中，基于成本的原因，節(jié)點數(shù)的規(guī)模總是受限的，因此該算法對構建低成本的無線傳感網(wǎng)絡應用系統(tǒng)具有重要的意義。由于很多應用，如緊急救援、火災監(jiān)

6、測等，要求節(jié)點能在較短的時間內(nèi)將數(shù)據(jù)報告給用戶，因此需要研究能耗與延遲折衷的數(shù)據(jù)收集算法。我們在考慮路徑傳輸干擾的基礎上，提出了延遲能量有效的自組織數(shù)據(jù)收集SODG(Self-Organization Data Gathering)算法。它的特點是數(shù)據(jù)收集樹的構造只依賴于節(jié)點一跳鄰居的信息，因此是一個只依賴局部信息的分布式算法。為了減少延遲，SODG允許多條路徑并發(fā)傳輸，如何避免并發(fā)傳輸時的干擾是設計算法的一個難點。我們首先利用局部信息

7、來構造Gabriel圖，然后根據(jù)Gabriel圖來構造數(shù)據(jù)收集樹。在Gabriel圖上傳輸數(shù)據(jù)避免了長距離通信，節(jié)省能量；同時，節(jié)點的并發(fā)傳輸則減少了數(shù)據(jù)收集收集的延遲。實驗模擬表明我們的協(xié)議是能量與延遲有效的，與著名的PEGASIS算法相比，SODG算法節(jié)約了64％的能耗；與基于鏈的協(xié)議相比，SODG減少了80％的延遲開銷。 基于對數(shù)據(jù)收集問題的研究，并結合實際應用的需求，我們開發(fā)了無線傳感網(wǎng)絡火災監(jiān)測原型系統(tǒng)。本文詳細介紹了

8、系統(tǒng)的功能模塊及其在協(xié)議棧各層上的節(jié)能關鍵技術，目前該系統(tǒng)正處于實地調(diào)試階段。 本文的主要貢獻和創(chuàng)新點如下： 首次提出了覆蓋保持的數(shù)據(jù)收集模式，研究了活動節(jié)點密度與節(jié)點傳輸距離間的折衷優(yōu)化問題，獲得了低能耗的數(shù)據(jù)收集協(xié)議CPDG和BCPDG； 針對數(shù)據(jù)收集的節(jié)點布置問題，本文提出了新穎的基于向量分割的算法來實現(xiàn)中繼節(jié)點的布置，實驗表明了該算法的高效性； 為解決實時數(shù)據(jù)收集問題，我們設計了局部化的分布式算法