大規(guī)模無線移動傳感器網絡若干關鍵技術研究.pdf

1、大規(guī)模無線傳感器網絡(WirelessSensorNetworks，WSN)通常由部署在監(jiān)測區(qū)域內的大量傳感器節(jié)點組成，目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區(qū)域里所監(jiān)測對象的信息，并傳送給信息觀察者。隨著微電子系統、通信技術和傳感器技術的發(fā)展，無線傳感器網絡己成為信息領域的研究熱點，具有廣泛的應用前景。但在海洋探測、野生動物保護及交通擁塞控制等特殊環(huán)境中，需要網絡中的傳感器節(jié)點具有移動性。這種由大量可移動傳感器節(jié)點所組成的大規(guī)模無線移動

2、傳感器網絡(WirelessMobileSensorNetworks，WMSN)在信息獲取能力、信息傳輸可靠性和網絡健壯性等方面功能更為強大，備受廣大研究者重視。
　　 由于節(jié)點移動將導致網絡拓撲頻繁改變，故靜態(tài)無線傳感器網絡中的相關技術不太適應節(jié)點移動的情況。因此，本學位論文從節(jié)點移動無序情況下WMSN的分簇技術、認知路由、動態(tài)頻譜分配及協同策略、以及節(jié)點移動有序情況下的數據融合和按需路由等五個方面分別進行了研究，取得如下研究

3、成果。
　　 1、提出一種支持節(jié)點移動的分簇方法
　　 為解決傳感器網絡中由于節(jié)點移動性導致較高丟包率和過多功耗等問題，基于移動預測機制提出了一種支持節(jié)點移動的分簇協議(Mobility-basedClusteringProtocol，MBC)。該協議結合移動節(jié)點剩余能量和移動速度選舉簇頭，并通過移動預測最大限度建立移動節(jié)點與簇頭的穩(wěn)定連接實現分簇。簇頭按照維持連接時間的升序創(chuàng)建簇內時分多址(TimeDivisionMu

4、ltipleAccess，TDMA)時序表，簇成員在數據傳輸階段按時序表自發(fā)依次完成數據傳送，離開原簇的節(jié)點為避免包丟失將重新競選加入新簇。仿真結果顯示，相同條件下MBC協議的丟包率比基于簇的路由(ClusterBasedRouting，CBR)協議和LEACH-Mobile協議分別減少了25％和50％，而在平均功耗和平均控制開銷等方面較其他兩種協議有顯著降低，能較好地適應節(jié)點高速移動的環(huán)境。
　　 2、提出一種支持多信道的認知

5、路由和優(yōu)化協議
　　 為在頻譜資源緊張的情況下提高網絡吞吐量，增加網絡生命期，保障網絡中信息的順利傳輸，采用跨層設計思想提出了一種基于多信道的認知路由和優(yōu)化協議（CognitiveRoutingandOptimizationProtocolBasedonMulti-Channe1，CROMC）。該協議針對當前頻譜資源緊張和硬件受限的情況，在對頻譜空洞、平均路由吞吐量、網絡生命期、路由能力等進行定義后，通過簇頭間的頻譜協商選擇鏈路

6、間的通信頻譜、數據傳輸速率和傳輸功率，并由基站選擇滿足路由能力的最小權重路由進行數據傳輸。理論分析與仿真結果表明，CROMC協議具有計算復雜度低、網絡生命期較長和網絡吞吐量較大的優(yōu)點，可有效應用于大規(guī)模無線移動傳感器網絡中。
　　 3、提出一種動態(tài)頻譜分配及協同策略
　　 動態(tài)頻譜分配能擴展無線移動傳感器網絡通信頻段，有效解決該網絡中頻譜資源日益匱乏的問題。為降低碰撞率與復雜性，在兼顧公平的情況下提高信道利用率和減少切換

7、次數，在大規(guī)模WMSN中提出了一種動態(tài)頻譜分配及協同策略(DynamicSpectrumAllocationandCooperationPolicy，DSA-CP)。該策略利用空閑私有頻段進行無線通信，通過有效頻譜感知與頻譜分配來協同實現網絡效益最大化。頻譜感知過程中，簇首通過感知算法選擇合適頻段以避免通信產生碰撞，而頻譜分配則結合WMSN特點建立恰當的動態(tài)頻譜分配模型，并轉換為不帶約束的優(yōu)化問題，進而提出基于二進制粒子群優(yōu)化的頻譜分配

8、算法來實現優(yōu)化分配。仿真結果顯示，所設計的動態(tài)頻譜分配及協同策略具有較高系統收益和較少切換次數，以及收斂速度快和分配公平等特點。
　　 4、基于近似靜態(tài)分簇提出一種高效數據融合協議
　　 針對大規(guī)模WMSN中動態(tài)分簇不太適應的情況，考慮到節(jié)點移動具有整體性的特點，本文采用基于近似靜態(tài)分簇的簇-樹結合策略來實現數據融合。為在大規(guī)模無線移動傳感器網絡中獲得較好網絡性能，提出了一種高效的基于近似靜態(tài)分簇的數據融合協議（Data

9、AggregationProtocolbasedonNearStaticClustering，DANSC）。該協議通過近似靜態(tài)分簇節(jié)省了網絡資源，保持了網絡連通性;研究網絡覆蓋期望值選擇工作節(jié)點數目來保證網絡覆蓋;施行簇頭輪換機制，并在簇頭間構建近似Prim最小生成樹來有效延長網絡生命期。仿真結果表明，DANSC協議能有效降低控制開銷，顯著延長網絡生命期，提供滿足應用期望的網絡服務質量。
　　 5、提出一種基于近似靜態(tài)分簇的按需

10、QoS路由協議
　　 為滿足大規(guī)模無線傳感器網絡局部區(qū)域信息收集時的服務質量(QualityofService，QoS)需求，針對大規(guī)模WMSN中節(jié)點移動具有整體性的情況，在保證網絡連通性條件下最大限度降低控制開銷與延長網絡生命期，提出了一種基于近似靜態(tài)分簇的按需QoS路由協議(OnDemandQoSProtocolbasedonNearStaticClustering，OQBSC)。該協議采用近似靜態(tài)分簇和按需信息收集策略減少