無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中高效數(shù)據(jù)收集協(xié)議研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless sensor networks，簡稱WSNs)是由大量部署在目標(biāo)區(qū)域的傳感器節(jié)點構(gòu)成，作為信息領(lǐng)域的新興技術(shù)，WSN在環(huán)境監(jiān)測、軍事偵察、交通管理、醫(yī)療監(jiān)護、智能家居等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。傳感器節(jié)點的存儲能力、通信能力和處理能力相對較弱，通過能量有限的電池供電，且節(jié)點通常部署在環(huán)境條件惡劣或人類很難進入的區(qū)域，因此對節(jié)點進行更換非常困難。
　　數(shù)據(jù)收集作為WSN中極為重要的操作之一，其作用是將

2、節(jié)點感知到的數(shù)據(jù)傳送到Sink節(jié)點以供用戶分析和處理。電能是WSN中非常重要的資源。在數(shù)據(jù)收集過程中，有效降低節(jié)點的能量耗費是節(jié)點長時間工作延長網(wǎng)絡(luò)壽命的關(guān)鍵所在。本文對不同環(huán)境下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收集技術(shù)進行了深入研究，旨在尋找能有效降低節(jié)點能量耗費、延長網(wǎng)絡(luò)生命周期和提高網(wǎng)絡(luò)可擴展性的方法，本文的研究工作主要包括以下幾個方面:
　　(1)針對集中式數(shù)據(jù)收集存在的問題，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中提出利用分簇技術(shù)來進行分布式數(shù)據(jù)收集。針

3、對典型的分簇協(xié)議存在節(jié)點能量消耗不均衡，易導(dǎo)致節(jié)點過早死亡和網(wǎng)絡(luò)生命周期縮短的缺點，提出一種能量均衡的分布式方法EBDSC來進行分簇數(shù)據(jù)收集。在EBDSC中，如果節(jié)點發(fā)現(xiàn)自己成為簇頭后能承擔(dān)的數(shù)據(jù)收集輪數(shù)比所有鄰居都高，則該節(jié)點成為候選簇頭。對于每個候選簇頭，將根據(jù)自己鄰居被其他候選簇頭覆蓋的情況，以反比概率成為正式簇頭。理論分析表明，在EBDSC算法中，所有節(jié)點在O(logn/loge)個時間步內(nèi)均能加入簇，算法總的消息復(fù)雜度是O(n

4、logn/loge)。仿真實驗表明，與目前已有算法相比，EBDSC在分簇階段有效減小了節(jié)點的能量消耗，最終有效延長了網(wǎng)絡(luò)生命周期。
　　(2)針對構(gòu)造連通支配集作為網(wǎng)絡(luò)虛擬主干來進行數(shù)據(jù)收集時，已有算法構(gòu)造的最小連通支配集不能有效均衡節(jié)點的能量耗費，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)生命周期較短的問題，提出了一種能量有效的基于連通支配集的算法DGA-EBCDS來進行數(shù)據(jù)收集，通過選擇能量水平和度均比較大的節(jié)點組成連通支配集，使得支配集中的節(jié)點組成一個規(guī)模不

5、大但具有較高能量水平的網(wǎng)絡(luò)骨干。DGA-EBCDS算法使得網(wǎng)絡(luò)中的所有數(shù)據(jù)沿虛擬骨干在數(shù)量較少的節(jié)點中轉(zhuǎn)發(fā)，能夠節(jié)省節(jié)點能量，使骨干節(jié)點不會因為能量不足而過早死亡。理論分析表明DGA-EBCDS能以O(shè)(nlogn)的消息復(fù)雜度構(gòu)造連通支配集。仿真實驗表明，與目前已有算法相比，DGA-EBCDS在構(gòu)造連通支配集時有效減少了節(jié)點的能量耗費，從而有效延長了網(wǎng)絡(luò)生命周期。
　　(3)針對已有數(shù)據(jù)收集算法普遍只考慮網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量是相

6、同的情況下數(shù)據(jù)收集算法存在的問題，研究當(dāng)各節(jié)點產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量非均衡情況下適合多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的數(shù)據(jù)收集算法。首先，提出了一種基于支配集的分簇數(shù)據(jù)收集算法DSCAU。在DSCAU中，每個節(jié)點對自身剩余能量、節(jié)點鄰居數(shù)量、自身和鄰居產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量等情況進行綜合考慮來選舉候選簇頭。為避免正式簇頭過多，候選簇頭根據(jù)自身鄰居被其他候選簇頭覆蓋的數(shù)量，以反比概率成為正式簇頭。算法為了均衡簇頭的能量開銷，對簇的規(guī)模進行了限制。理論分析和仿真實驗表明

7、，DSCAU在多跳情況下能有效延長網(wǎng)絡(luò)生命周期，并且能保證所有節(jié)點均能加入簇。然后，為了提高算法的適用性，本文對DSCAU算法進行了改進，提出了一種在更廣范圍內(nèi)適用的通過移動Sink來進行數(shù)據(jù)收集的DSCP算法。理論分析表明，在DSCP算法中，所有節(jié)點在O(n/logn)個時間步內(nèi)均能加入簇，算法總的消息復(fù)雜度是O(n2/logn)。仿真實驗表明，DSCP與目前已有算法相比，網(wǎng)絡(luò)生命周期得到有效延長。
　　綜上所述，本文對無線傳感