無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量高效數(shù)據(jù)收集技術(shù)研究.pdf

1、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是延伸人類(lèi)認(rèn)識(shí)世界的一種全新的信息獲取方式。它南可以被隨機(jī)播撒或人工放置方式部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的大量微型無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)組成,這些無(wú)線節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)無(wú)線通信方式形成一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò),協(xié)作地感知、計(jì)算處理和收集網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)覆蓋區(qū)域中感知目標(biāo)的數(shù)據(jù)信息,并將其傳遞給網(wǎng)絡(luò)中的匯聚節(jié)點(diǎn)和用戶(hù)。因此,數(shù)據(jù)收集是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能,是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般具有大規(guī)模、自組織、隨機(jī)布置、環(huán)境復(fù)雜、節(jié)點(diǎn)資源有限、

2、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化等特點(diǎn),尤其是無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)一般采用電池供電,網(wǎng)絡(luò)的能源有限。因此,研究高能效的數(shù)據(jù)收集協(xié)議,提高網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量的有效利用率、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命,成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的熱點(diǎn)問(wèn)題。
　　 當(dāng)前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了大量的工作來(lái)研究無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收集協(xié)議,但仍然存在許多未解決的問(wèn)題。本文根據(jù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本特征,在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上,深入分析和討論了適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的高能效數(shù)據(jù)收集技術(shù)。
　　 本

3、論文的主要內(nèi)容和創(chuàng)新性研究成果分為以下四個(gè)方面:
　　 1.建立了一種適用于監(jiān)測(cè)突發(fā)事件的一大類(lèi)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型,該模型中的所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)均采用雙信道的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。結(jié)合監(jiān)測(cè)突發(fā)事件的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用特點(diǎn),該模型定義了節(jié)點(diǎn)兩個(gè)信道的工作模式。該模型采用節(jié)點(diǎn)在喚醒信道的周期同步偵聽(tīng)來(lái)確保網(wǎng)絡(luò)局部的連通度,減少節(jié)點(diǎn)的空閑偵聽(tīng)能量消耗,為控制節(jié)點(diǎn)局部連通度的穩(wěn)定和一致以及提高數(shù)據(jù)傳遞的可靠性和及時(shí)性提供基礎(chǔ)。

4、　　 2.提出了一種基于地理位置信息的高能效數(shù)據(jù)收集協(xié)議REEGF(GeographicForwarding Protocol with Reliable and Energy-Efficient),該協(xié)議在原有的地理位置路由協(xié)議GeRaF(Geographic Random Forwarding)的基礎(chǔ)上,結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC層協(xié)議S-MAC和啟發(fā)式拓?fù)淇刂茀f(xié)議STEM,增加了拓?fù)淇刂频墓?jié)能措施,修改了后選中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的選擇方

5、法,將路由、拓?fù)淇刂坪蚆AC整合為單一的層,減少了節(jié)點(diǎn)的空閑能量消耗和通信控制開(kāi)銷(xiāo),使得網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳遞的報(bào)文遞送率顯著提高,多跳時(shí)延、能量消耗大大減少,節(jié)點(diǎn)的能量消耗更加均衡,從而延長(zhǎng)了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。通過(guò)理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)充分說(shuō)明了REEGF協(xié)議的有效性。
　　 3.針對(duì)現(xiàn)有多跳無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集協(xié)議中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)選擇算法效率不高的問(wèn)題,提出了一種高能效的中繼節(jié)點(diǎn)快速選擇算法(Energy efficientrelay n

6、ode fast selection algorithm,EERNFS)。EERNFS算法利用分時(shí)共享信道的方法周期性地維護(hù)網(wǎng)絡(luò)同步和更新節(jié)點(diǎn)的鄰居信息來(lái)控制網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)?以確保網(wǎng)絡(luò)瞬時(shí)連通度的穩(wěn)定和一致；基于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的位置信息和鏈路質(zhì)量的分布式估計(jì),EERNFS選擇具有最大地理優(yōu)先級(jí)和價(jià)值最大的候選中繼節(jié)點(diǎn)作為中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn),減少了數(shù)據(jù)傳遞的路由平均跳距,平衡了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的平均能量消耗:采用乘性增加最高地理優(yōu)先級(jí)或退避時(shí)間最小的節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)區(qū)

7、域的時(shí)間窗口方法,EERNFS算法分解候選中繼節(jié)點(diǎn)間的競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題,減少了數(shù)據(jù)傳遞的時(shí)間。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明了本文的EERNFS算法在網(wǎng)絡(luò)性能方面的優(yōu)越性。
　　 4.提出了一種適宜大規(guī)模多跳無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高能效協(xié)作數(shù)據(jù)收集協(xié)議ESCDD(Energy-efficient single-node-based cooperative data delivery,ESCDD)。ESCDD采用依賴(lài)局部信息的節(jié)點(diǎn)睡眠調(diào)度控制策略分布式

8、控制節(jié)點(diǎn)的連通度,減少節(jié)點(diǎn)的空閑偵聽(tīng)；利用類(lèi)似GeRaF的方法基于地理位置信息的貪婪機(jī)制,ESCDD選擇中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn),減少了數(shù)據(jù)傳遞的平均跳數(shù)；利用節(jié)點(diǎn)物理層的功率控制在每一跳選擇單個(gè)協(xié)作節(jié)點(diǎn),ESCDD執(zhí)行協(xié)作數(shù)據(jù)傳遞,并以最大比合并方式恢復(fù)數(shù)據(jù)信息,不斷執(zhí)行這種協(xié)作傳遞來(lái)完成數(shù)據(jù)的多跳遞送。因此,ESCDD通過(guò)采用單節(jié)點(diǎn)的協(xié)作機(jī)制,顯著地提高了多跳無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)報(bào)文遞送率,減少了數(shù)據(jù)收集的多跳平均時(shí)延,降低了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的平均能量