高數(shù)據(jù)率WSN節(jié)能策略與QoS機(jī)制研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量無處不在的、具有無線通信與計(jì)算能力的微小傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的自組織分布式多跳網(wǎng)絡(luò)，是能根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務(wù)的智能協(xié)同系統(tǒng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新一代的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，集成了傳感器、微機(jī)電系統(tǒng)和無線通信三大技術(shù)，是一種全新的信息獲取和處理技術(shù)。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的深入和多媒體應(yīng)用需求的增長，迫切需要將信息量豐富的圖像、音頻甚至視頻等媒體引入到以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的環(huán)境監(jiān)測活動中來，實(shí)現(xiàn)細(xì)粒度、精準(zhǔn)信息的環(huán)境監(jiān)測中，因

2、此，高數(shù)據(jù)率無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生。高數(shù)據(jù)率無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將邏輯上的信息世界與真實(shí)物理世界融合在一起，將改變?nèi)伺c自然交互的方式。由于高數(shù)據(jù)率無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相比傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有不同的特點(diǎn)，所以本論文主要研究了高數(shù)據(jù)率無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的兩大熱點(diǎn)問題：新型節(jié)能策略和QoS新機(jī)制。 本論文主要從基于負(fù)載均衡和能量感知的新型路由協(xié)議、基于MST的混合型拓?fù)淇刂扑惴▋煞矫鎭硌芯扛邤?shù)據(jù)率無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的新型節(jié)能策略。目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路

3、由協(xié)議都是基于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率較低的假設(shè)，只考慮了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量約束，但是高數(shù)據(jù)率無線傳感器網(wǎng)絡(luò)并不如此。根據(jù)高數(shù)據(jù)率無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量高效需求和大數(shù)據(jù)量的特點(diǎn)，本論文提出了一種新型的LBEAR(Load Balanced and Energy Aware Routing)協(xié)議，LBEAR協(xié)議綜合考慮了節(jié)點(diǎn)能量消耗狀態(tài)和節(jié)點(diǎn)的負(fù)載擁塞程度，均衡了網(wǎng)絡(luò)能量分布和負(fù)載分布，通過均衡網(wǎng)絡(luò)資源延長了網(wǎng)絡(luò)生存周期，從而提高網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能特性。通過比

4、較分析分簇機(jī)制和節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率控制機(jī)制的優(yōu)缺點(diǎn)，本論文提出了一種適合高數(shù)據(jù)率無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MCTC(MST-based Clustering Topology Control)算法。MCTC算法采用了“最大能量最小距離”分簇機(jī)制將高數(shù)據(jù)率無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分為兩層結(jié)構(gòu)，簇內(nèi)成員與簇頭之間、簇頭與基站之間分別采用最小生成樹算法確定鄰居關(guān)系，從而決定節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率，同時還可以利用簇頭節(jié)點(diǎn)對簇內(nèi)傳感信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合來降低通信數(shù)據(jù)量。仿真結(jié)果表明MC

5、TC算法可以降低網(wǎng)絡(luò)功耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生存周期，算法性能與全局最優(yōu)的最小生成樹算法接近。 本文對高數(shù)據(jù)率無線傳感器網(wǎng)絡(luò)QoS新機(jī)制的研究主要包括兩部分：基于群蟻算法的新型QoS路由協(xié)議和跨層QoS優(yōu)化設(shè)計(jì)。本論文探討了高數(shù)據(jù)率無線傳感器網(wǎng)絡(luò)QoS多約束路由問題的數(shù)學(xué)模型，提出了一種高數(shù)據(jù)率無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中QoS約束路由問題的具體表現(xiàn)——延時約束最大剩余能量率路徑問題，并提出一種利用啟發(fā)式蟻群算法對QoS約束路由問題進(jìn)行分布式求解的

6、ACO-QoSR(Ant Colony Optimization based QoS Routing)協(xié)議。仿真結(jié)果表明，ACO-QoSR協(xié)議提高了路徑的殘留能量率，同時嚴(yán)格滿足路徑的延時約束?？鐚觾?yōu)化設(shè)計(jì)是一種嶄新的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)哲學(xué)，本論文將跨層QoS優(yōu)化設(shè)計(jì)引入到高數(shù)據(jù)率無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中，提出了一種基于中間件的高數(shù)據(jù)率無線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層QoS優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，從整體協(xié)議棧的角度優(yōu)化各層協(xié)議。然后，本論文提出了一種解決在高數(shù)據(jù)率無

7、線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳輸多描述編碼(MDC)視頻的跨層多徑路由協(xié)議?？鐚佣鄰铰酚蓞f(xié)議以最大化應(yīng)用層視頻峰值信噪比(PSNR)作為優(yōu)化目標(biāo)，由物理層和MAC層聯(lián)合決定多徑路由的屬性，將多描述編碼的各個描述分別映射到鏈路獨(dú)立多徑路由的不同路徑上進(jìn)行獨(dú)立傳輸。仿真結(jié)果表明，跨層多徑路由協(xié)議與K=2最小跳數(shù)路由協(xié)議相比，提高了多描述編碼視頻多徑傳輸?shù)腝oS性能。 最后，本論文探索了高數(shù)據(jù)率傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)原型，提出一種基于IPv6的圖像采集傳