大規(guī)模無線移動傳感器網(wǎng)絡(luò)若干關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetworks，WSN)通常由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量傳感器節(jié)點組成，目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)、通信技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)己成為信息領(lǐng)域的研究熱點，具有廣泛的應(yīng)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)(WirelessMobileSensorNetworks，WMSN)在信息獲取能力、信息傳輸可靠性和網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓撲頻繁改變，故靜態(tài)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的相關(guān)技術(shù)不太適應(yīng)節(jié)點移動的情況。因此，本學(xué)位論文從節(jié)點移動無序情況下WMSN的分簇技術(shù)、認知路由、動態(tài)頻譜分配及協(xié)同策略、以及節(jié)點移動有序情況下的數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)中由于節(jié)點移動性導(dǎo)致較高丟包率和過多功耗等問題，基于移動預(yù)測機制提出了一種支持節(jié)點移動的分簇協(xié)議(Mobility-basedClusteringProtocol，MBC)。該協(xié)議結(jié)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(yù)測最大限度建立移動節(jié)點與簇頭的穩(wěn)定連接實現(xiàn)分簇。簇頭按照維持連接時間的升序創(chuàng)建簇內(nèi)時分多址(TimeDivisionMu

4、ltipleAccess，TDMA)時序表，簇成員在數(shù)據(jù)傳輸階段按時序表自發(fā)依次完成數(shù)據(jù)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(jié)果顯示，相同條件下MBC協(xié)議的丟包率比基于簇的路由(ClusterBasedRouting，CBR)協(xié)議和LEACH-Mobile協(xié)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(xié)議有顯著降低，能較好地適應(yīng)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(xié)議
　　 為在頻譜資源緊張的情況下提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，增加網(wǎng)絡(luò)生命期，保障網(wǎng)絡(luò)中信息的順利傳輸，采用跨層設(shè)計思想提出了一種基于多信道的認知路由和優(yōu)化協(xié)議（CognitiveRoutingandOptimizationProtocolBasedonMulti-Channe1，CROMC）。該協(xié)議針對當(dāng)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(wǎng)絡(luò)生命期、路由能力等進行定義后，通過簇頭間的頻譜協(xié)商選擇鏈路

6、間的通信頻譜、數(shù)據(jù)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(quán)重路由進行數(shù)據(jù)傳輸。理論分析與仿真結(jié)果表明，CROMC協(xié)議具有計算復(fù)雜度低、網(wǎng)絡(luò)生命期較長和網(wǎng)絡(luò)吞吐量較大的優(yōu)點，可有效應(yīng)用于大規(guī)模無線移動傳感器網(wǎng)絡(luò)中。
　　 3、提出一種動態(tài)頻譜分配及協(xié)同策略
　　 動態(tài)頻譜分配能擴展無線移動傳感器網(wǎng)絡(luò)通信頻段，有效解決該網(wǎng)絡(luò)中頻譜資源日益匱乏的問題。為降低碰撞率與復(fù)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(shù)，在大規(guī)模WMSN中提出了一種動態(tài)頻譜分配及協(xié)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(xié)同實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(chǎn)生碰撞，而頻譜分配則結(jié)合WMSN特點建立恰當(dāng)?shù)膭討B(tài)頻譜分配模型，并轉(zhuǎn)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(xiàn)優(yōu)化分配。仿真結(jié)果顯示，所設(shè)計的動態(tài)頻譜分配及協(xié)同策略具有較高系統(tǒng)收益和較少切換次數(shù)，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(shù)據(jù)融合協(xié)議
　　 針對大規(guī)模WMSN中動態(tài)分簇不太適應(yīng)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(jié)合策略來實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合。為在大規(guī)模無線移動傳感器網(wǎng)絡(luò)中獲得較好網(wǎng)絡(luò)性能，提出了一種高效的基于近似靜態(tài)分簇的數(shù)據(jù)融合協(xié)議（Data

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

10、QoS路由協(xié)議
　　 為滿足大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)局部區(qū)域信息收集時的服務(wù)質(zhì)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(wǎng)絡(luò)連通性條件下最大限度降低控制開銷與延長網(wǎng)絡(luò)生命期，提出了一種基于近似靜態(tài)分簇的按需QoS路由協(xié)議(OnDemandQoSProtocolbasedonNearStaticClustering，OQBSC)。該協(xié)議采用近似靜態(tài)分簇和按需信息收集策略減少