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(shì)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(gè)主要任務(wù)是傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)作地感知和收集數(shù)據(jù)，并將其傳送到一個(gè)或多個(gè)Sink節(jié)點(diǎn)，并交給感興趣的用戶進(jìn)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(jī)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(chǎng)景和實(shí)際應(yīng)用對(duì)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(biāo)體系；在分析指標(biāo)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(jī)制，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)收集的能量效率、網(wǎng)絡(luò)生命周期和延時(shí)等QoS指標(biāo)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(duì)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(jìn)

3、行了研究，論文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)集中在以下幾個(gè)方面：
　?。?）提出一種基于多葉節(jié)點(diǎn)生成樹的低延時(shí)數(shù)據(jù)融合調(diào)度方法。研究實(shí)時(shí)應(yīng)用場(chǎng)景下最小延時(shí)數(shù)據(jù)融合調(diào)度問題。首先給出了最小延時(shí)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(jì)相應(yīng)的調(diào)度策略近似解決該問題。依據(jù)多葉節(jié)點(diǎn)融合樹有利于增加同時(shí)傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)數(shù)量的思想，提出了一種多葉節(jié)點(diǎn)生成樹構(gòu)建算法，在融合樹基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一種最大干擾優(yōu)先調(diào)度機(jī)制實(shí)現(xiàn)最小延時(shí)數(shù)據(jù)融合調(diào)度。最后通過仿真和

4、對(duì)比證明了方案的有效性。
　?。?）提出一種保障生命期低延時(shí)的數(shù)據(jù)融合調(diào)度方法。研究長(zhǎng)期部署和實(shí)時(shí)應(yīng)用場(chǎng)景下低延時(shí)數(shù)據(jù)融合調(diào)度機(jī)制，聯(lián)合優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)生命周期和延時(shí)等QoS指標(biāo)。將該QoS指標(biāo)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(diǎn)的并行傳輸；在融合樹的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種貪婪調(diào)度算法，尋找沖突圖上的最大獨(dú)立集調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)低延時(shí)調(diào)度。最后通過仿真證實(shí)本方案在延時(shí)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(fù)載平衡的數(shù)據(jù)收集調(diào)度方法。研究節(jié)點(diǎn)睡眠的情況下，數(shù)據(jù)收集的調(diào)度機(jī)制，以解決睡眠延時(shí)與節(jié)點(diǎn)負(fù)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(diǎn)分配方法，以實(shí)現(xiàn)負(fù)載平衡，并盡量減少睡眠延時(shí)的影響。將節(jié)點(diǎn)調(diào)度分配問題描述為多個(gè)目標(biāo)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(jì)一種延時(shí)

6、最小負(fù)載平衡分配的算法，近似解決該問題。模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，所提算法能顯著地提升延時(shí)和網(wǎng)絡(luò)生命周期等QoS性能指標(biāo)。
　?。?）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(duì)基于事件驅(qū)動(dòng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集查詢的長(zhǎng)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(jì)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(dá)時(shí)，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