無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)收集問題研究.pdf

1、數(shù)據(jù)收集是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要應(yīng)用之一。在大型的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，大量的傳感器節(jié)點組成多跳的無線Adhoc網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點采集本地感應(yīng)數(shù)據(jù)，并將處理結(jié)果傳送給基站，基站再轉(zhuǎn)發(fā)給外界用戶。系統(tǒng)生命期是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最重要的設(shè)計因素之一，而傳感器節(jié)點的電池能量直接決定著系統(tǒng)生命期。本文研究影響數(shù)據(jù)收集問題系統(tǒng)生命期的三個關(guān)鍵部分：數(shù)據(jù)收集協(xié)議、傳感器節(jié)點的布置及傳感器節(jié)點的調(diào)度，提出了相應(yīng)的解決方案。現(xiàn)有研究都是針對平面模型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，但

2、是很多應(yīng)用場合具有線性模型的特征。因此，本文針對平面模型和線性模型，分別提出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集問題的解決方案。數(shù)據(jù)收集協(xié)議是網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，研究傳感器節(jié)點如何將數(shù)據(jù)傳送給基站。傳感器節(jié)點在偵聽時需要消耗大量的能量，所以減少偵聽節(jié)點數(shù)可以減少系統(tǒng)的能量消耗，從而延長系統(tǒng)生命期。現(xiàn)有協(xié)議主要是構(gòu)造一個骨干網(wǎng)，傳感器節(jié)點僅通過骨干網(wǎng)就可以向基站傳送數(shù)據(jù)，通過構(gòu)造最小骨干網(wǎng)使得偵聽節(jié)點數(shù)最少。然而現(xiàn)有協(xié)議構(gòu)造的骨干網(wǎng)中節(jié)點能量可能過小，這會產(chǎn)

3、生盲點降低系統(tǒng)生命期，并且節(jié)點通過骨干網(wǎng)傳送數(shù)據(jù)的路徑可能過長，這會增大傳送數(shù)據(jù)的能量消耗。本文綜合考慮骨干網(wǎng)的大小、節(jié)點能量及路徑，提出了一種基于廣度優(yōu)先搜索的數(shù)據(jù)收集樹算法，并采用局部式方法進(jìn)行維護(hù)。仿真實驗表明該算法的系統(tǒng)生命期比現(xiàn)有算法提高了15％左右，延遲減短了23％左右。對于線性模型，本文提出了一種基于線性路徑的骨干網(wǎng)算法，仿真實驗表明該算法的系統(tǒng)生命期比平面模型的算法提高了12％左右。 傳感器節(jié)點的合理布置可以有效

4、延長系統(tǒng)生命期。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是多跳傳輸?shù)?，各區(qū)域的數(shù)據(jù)流密度是不一致的。距離基站越近的區(qū)域，需要轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)越多，數(shù)據(jù)流密度越大，能量消耗越快?，F(xiàn)有方案都采用均勻布置傳感器節(jié)點，這樣會導(dǎo)致基站附近的傳感器節(jié)點很快消耗完能量而失效，網(wǎng)絡(luò)變得不連通從而降低系統(tǒng)生命期。本文通過研究各區(qū)域的能量消耗速度，提出了布置傳感器節(jié)點的密度公式，使得各區(qū)域的整體能量與此區(qū)域的能量消耗速度之比保持一致，這樣傳感器節(jié)點趨向于同時消耗完能量，從而延長系統(tǒng)生

5、命期。對于平面模型，本文提出了密度公式ρ(r)=3n[(R2-r2)/r+c]/[πR2(4R+3c)]，其中ρ(r)為距離基站r處的傳感器節(jié)點密度，n為節(jié)點總數(shù)，R為監(jiān)控區(qū)域半徑，c為一常數(shù)。理論分析和仿真實驗表明，當(dāng)R較大時，此方案的系統(tǒng)生命期與均勻布置方案之比接近3R/(2t)，這里t為傳感器節(jié)點的無線通信距離。對于線性模型，本文提出了密度公式ρ(r)=n(R-r+c)/(R2+2cR)。理論分析和仿真實驗表明，當(dāng)R較大時，此方案

6、的系統(tǒng)生命期與均勻布置方案之比接近2。 傳感器節(jié)點的調(diào)度是應(yīng)用層協(xié)議。傳感器節(jié)點密集地分布在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)，多個節(jié)點可能將同一事件的探測結(jié)果傳送給基站，造成不必要的能量浪費。在保證網(wǎng)絡(luò)性能的前提下，通過調(diào)度傳感器節(jié)點，僅將少量一部分節(jié)點投入工作，而其它節(jié)點保持低功耗的休眠狀態(tài)，可以延長系統(tǒng)生命期。傳感器節(jié)點調(diào)度算法的目標(biāo)就是得到監(jiān)控區(qū)域的最小覆蓋集，現(xiàn)有的保持原有覆蓋區(qū)域的局部式算法的性能不是很好。本文提出了一種基于局部式Voron

7、oi圖的節(jié)點調(diào)度算法，得到原始覆蓋區(qū)域的極小覆蓋集，理論分析表明該算法的近似比小于3。仿真實驗表明該算法得到的覆蓋集的大小僅為已有算法的43％左右，平均覆蓋度為2.11，是最好情況的1.7倍。本文還提出了一種近似保持原有覆蓋區(qū)域的基于掃描線的調(diào)度算法，仿真實驗表明該算法得到的覆蓋集的大小為現(xiàn)有算法的91％左右。對于線性模型，本文提出了一種貪婪算法，性能接近最優(yōu)情況。 最后，我們通過本文提出的數(shù)據(jù)收集協(xié)議、傳感器節(jié)點的布置及傳感器