災(zāi)難場(chǎng)景下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)數(shù)據(jù)收集協(xié)議研究.pdf

1、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在人們無(wú)法接近的惡劣或特殊環(huán)境的監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)采集中有著重要作用，如水災(zāi)、火災(zāi)、山體滑坡等災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警。在這類惡劣應(yīng)用環(huán)境中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)面臨不可預(yù)知的故障或突然死亡，嚴(yán)重影響到網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的完整性和可用性。一方面，由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)失效造成網(wǎng)絡(luò)收集和傳輸數(shù)據(jù)的丟失；另一方面，緊急情況下，監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的速率將大大超過(guò)數(shù)據(jù)輸出的帶寬，瓶頸效應(yīng)將導(dǎo)致數(shù)據(jù)從采集節(jié)點(diǎn)至匯聚節(jié)點(diǎn)的傳播路徑上出現(xiàn)嚴(yán)重的傳輸時(shí)延，從而加大了數(shù)據(jù)丟失

2、的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在災(zāi)難場(chǎng)景的大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)可靠收集是非常具有挑戰(zhàn)性問(wèn)題。
　　隨著網(wǎng)絡(luò)編碼的提出，各國(guó)學(xué)者已提出多種特性不同的網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)來(lái)解決災(zāi)難場(chǎng)景的傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集問(wèn)題，其中具有代表性是Kamra等在SIGCOMM2006提出的Growth Codes編解碼技術(shù)以及后續(xù)的研究工作，通過(guò)增量編碼和隨機(jī)分布復(fù)制的方式提高網(wǎng)絡(luò)采集數(shù)據(jù)的持久性，較好地解決災(zāi)難場(chǎng)景中的零配置網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)可靠采集問(wèn)題。然而，Growth Cod

3、es編碼造成網(wǎng)絡(luò)中存在大量的冗余副本數(shù)據(jù)，且網(wǎng)絡(luò)中可用數(shù)據(jù)的比例隨著已收集數(shù)據(jù)量的增加而急劇降低，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集效率受到較大影響，特別是在稀疏型網(wǎng)絡(luò)中表現(xiàn)尤為明顯。
　　針對(duì)災(zāi)難應(yīng)用場(chǎng)景的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)可靠數(shù)據(jù)收集效率問(wèn)題，本文在Growth Codes編碼技術(shù)基礎(chǔ)上提出了新的局部配置網(wǎng)絡(luò)模型、數(shù)據(jù)監(jiān)聽(tīng)緩存機(jī)制、基于反饋的數(shù)據(jù)過(guò)濾匯聚方法、多數(shù)據(jù)源編碼等方法，大幅提高了不同網(wǎng)絡(luò)密度情況下的可靠數(shù)據(jù)收集效率，并且在高節(jié)點(diǎn)故障率下保持?jǐn)?shù)據(jù)

4、收集協(xié)議的魯棒性。具體包括以下工作：
　　(1)針對(duì)Growth Codes協(xié)議數(shù)據(jù)收集效率低的問(wèn)題，本文提出了單跳樹(shù)和零配置網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的局部配置網(wǎng)絡(luò)模型，結(jié)合單跳樹(shù)的定向數(shù)據(jù)匯聚特性，設(shè)計(jì)了多節(jié)點(diǎn)分布式數(shù)據(jù)監(jiān)聽(tīng)緩存機(jī)制、數(shù)據(jù)預(yù)過(guò)濾策略和基于數(shù)據(jù)輸出過(guò)濾機(jī)制的數(shù)據(jù)收集協(xié)議FGCP(Filtering and Growth Codes based protocol)。該協(xié)議有效地提高了匯聚節(jié)點(diǎn)接收到可解碼新數(shù)據(jù)的概率，從而大幅提高了災(zāi)

5、難場(chǎng)景中的數(shù)據(jù)可靠收集效率。通過(guò)性能實(shí)驗(yàn)評(píng)估，F(xiàn)GCP能夠顯著提高整體的數(shù)據(jù)采集效率同時(shí)協(xié)議保持了較好的魯棒性。
　　(2)Growth Codes編碼是將存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)與自身采集到的數(shù)據(jù)單元進(jìn)行編碼組合，在稀疏型網(wǎng)絡(luò)中存在明顯的數(shù)據(jù)分布局部性問(wèn)題，對(duì)于稀疏型網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集效率造成很大影響。針對(duì)該問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了使數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中分布更加均勻的多數(shù)據(jù)源編碼策略，使得離收集節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)能夠以相似的概率被回收，提出了基于數(shù)據(jù)均勻策略的

6、改進(jìn)型收集協(xié)議MFGCP(Modified FGCP)，顯著提高了稀疏型網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)回收效率。
　　(3)在FGCP協(xié)議的單跳數(shù)據(jù)收集樹(shù)結(jié)構(gòu)中，鄰近緩存節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽(tīng)到大量相同數(shù)據(jù)，造成緩存節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)過(guò)度冗余問(wèn)題。本文將局部配置網(wǎng)絡(luò)模型中的單跳數(shù)據(jù)收集樹(shù)簡(jiǎn)化為單節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)過(guò)濾，設(shè)計(jì)了基于數(shù)據(jù)輸出過(guò)濾機(jī)制的簡(jiǎn)化收集協(xié)議SFGCP(SimplifiedFGCP)，使得協(xié)議在密集型網(wǎng)絡(luò)中有相近的收集效率，而且具有更好的節(jié)點(diǎn)故障容忍性。

7、　　(4)編碼度轉(zhuǎn)換時(shí)刻是編碼過(guò)程中編碼度增加的時(shí)刻，Growth Codes給出了最優(yōu)度轉(zhuǎn)換時(shí)刻的理論值，是該類協(xié)議設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的理論基礎(chǔ)，而最優(yōu)度轉(zhuǎn)換時(shí)刻與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ兔芮邢嚓P(guān)。本文結(jié)合新的局部配置網(wǎng)絡(luò)模型和FGCP協(xié)議，通過(guò)理論分析和推導(dǎo)證明給出了適用于局部配置網(wǎng)絡(luò)模型的碼字度轉(zhuǎn)換時(shí)刻，得到了最優(yōu)的碼字度轉(zhuǎn)換時(shí)刻序列，并在協(xié)議仿真實(shí)現(xiàn)中得到實(shí)際驗(yàn)證，利用新的編碼度轉(zhuǎn)換時(shí)刻可以得到更好的數(shù)據(jù)收集速率。
　　在災(zāi)難場(chǎng)景的大規(guī)模傳感器