無線傳感器網(wǎng)絡(luò)高效數(shù)據(jù)傳輸方法.pdf

1、隨著傳感器技術(shù)、嵌入式計算以及無線通訊技術(shù)的發(fā)展，使得具有感知、計算和通信能力的微型化傳感器節(jié)點成為可能，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks, WSNs)就是由這些傳感器節(jié)點組成，它們一般部署在一個監(jiān)測區(qū)域來協(xié)作地感知、收集和處理感知信息，通過自組織的方式相連，然后將處理后的信息通過多跳的方式傳輸?shù)交?。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療健康、智能交通和軍事國防等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中

2、心的網(wǎng)絡(luò)，因此如何高效地傳輸感知數(shù)據(jù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個重要研究問題。一個簡單的方法是讓所有的傳感器節(jié)點周期性地將數(shù)據(jù)傳輸給匯聚節(jié)點(Sink節(jié)點)。然而這將給節(jié)點帶來嚴(yán)重的存儲和通信開銷，這與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所要求的高能效性要求不符，因為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點只有有限的電池能量，而數(shù)據(jù)的無線傳輸是能量消耗的主要部分，過多的無線傳輸將會快速耗盡節(jié)點的電池能量，從而引起節(jié)點失效。因此，如何在不危及網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)條件下盡可能地減少數(shù)據(jù)的傳輸是一

3、個重要的研究問題。針對此問題，本文從數(shù)據(jù)壓縮和擁塞控制兩方面考慮了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}，并提出了相應(yīng)的策略和算法。本文的主要研究成果包括如下幾個方面。
　　首先，本文提出了一個不連接的分段線性壓縮算法 GDPLA。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有有限的能量資源，為了減少感知數(shù)據(jù)存儲、傳輸和處理的能量開銷，有必要對原始數(shù)據(jù)進行壓縮處理。目前，盡管有許多數(shù)據(jù)壓縮方法可用來減少數(shù)據(jù)量，但由于它們的超線性時間或者非在線特性，使得它們很難

4、應(yīng)用于資源有限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。針對這些不足，本文提出了一個最優(yōu)的在線算法GDPLA，其用不連接的分段線段來近似描述時間序列，且保證每個數(shù)據(jù)點的真實值與近似值之間的誤差的絕對值小于等于用戶給定的閾值ε，本文證明了在保證誤差界限ε的條件下，算法GDPLA用最少的線段條數(shù)來近似描述時間序列。而且證明了算法 GDPLA的時間復(fù)雜度是 O(n)且系數(shù)為6，其中n是時間序列的長度。算法的低時間復(fù)雜性使得其適用于資源有限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。在兩個真實

5、數(shù)據(jù)集上進行的實驗表明了本文算法具有優(yōu)越的壓縮性能。
　　第二，本文提出了一個不連接的分段曲線壓縮算法3D-FSS(Three Dimensional-Feasible Solution Space)。據(jù)我們所知，3D-FSS是第一個用分段曲線來近似描述時間序列的算法且保證每個真實數(shù)據(jù)值與其對應(yīng)的曲線上的近似數(shù)據(jù)值之差的絕對值小于等于ε。算法3D-FSS的主要思想是將時間軸劃分成多個片段，每個片段用一個二次函數(shù)來近似描述且保證誤差

6、界限ε。算法的關(guān)鍵在于為每個數(shù)據(jù)點建立一個可行解空間(Feasible solution space, FSS)，這里可行解空間是由一組平行平面以及兩平面之間的區(qū)域組成。當(dāng)一個新的數(shù)據(jù)點Pj到達時，計算已經(jīng)到達但未被壓縮的數(shù)據(jù)點的FSS的交集和Pj的FSS的交集是否為空。若交集為空，則結(jié)束當(dāng)前的片段，且從當(dāng)前數(shù)據(jù)點開始新的一個片段。反之，若交集非空，則等待下一個數(shù)據(jù)點到達。這個過程一直重復(fù)直到整個時間序列被掃描完。本文證明了在保證誤差ε

7、的條件下，算法用最少個數(shù)的二次函數(shù)來近似描述時間序列，且僅需要線性的運行時間，即O(n)。在真實數(shù)據(jù)集上進行的實驗表明3D-FSS的壓縮性能優(yōu)于 GDPLA的壓縮性能，但其運行時間稍高于GDPLA的運行時間。
　　第三，本文提出了一個保證加權(quán)公平性的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，擁塞不僅導(dǎo)致丟包，還會增加網(wǎng)絡(luò)延遲，減少吞吐量。因此，如何減緩或消除擁塞以提高能效性和延長網(wǎng)絡(luò)生命時間是一個重要的研究問題。目前，已有許多針對此問題的

8、解決方案，但它們中大多數(shù)采用的是開環(huán)控制的方法，這種方法將導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定和低準(zhǔn)確度。針對上述不足，本文提出了一個分布式的保證加權(quán)公平性的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議WFCC。WFCC給每個節(jié)點賦予一個權(quán)值以反應(yīng)其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的重要性，使用包的平均服務(wù)時間與包的平均到達時間的比值作為擁塞度量?；诠?jié)點的權(quán)值和擁塞度量，WFCC將時間軸劃分成等長的周期序列，且通過使用閉環(huán)控制的方法來周期性地調(diào)節(jié)進入節(jié)點的數(shù)據(jù)包總速率來減緩擁塞。此外，WFCC首次給出了加權(quán)

9、公平性的度量，且在理論上給出了其的一個下界1?(10c/9)2，這里0< c<0.2。實驗結(jié)果表明WFCC的加權(quán)公平性平均達到了95％，優(yōu)于目前已存在的基于速率的擁塞控制協(xié)議的加權(quán)公平性。另外，與目前最好的基于速率控制的擁塞控制協(xié)議PCCP相比，WFCC的網(wǎng)絡(luò)吞吐量和加權(quán)公平性分別比PCCP高50%和19%。
　　第四，本文提出了一個基于單神經(jīng)元 PID控制的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議 SNCCP。SNCCP的主要思想是確保每個傳感器節(jié)點的緩沖

10、區(qū)隊列長度維持在一個理想值附近，其主要是通過一個反饋控制的方法自適應(yīng)周期性地調(diào)節(jié)進入節(jié)點的總速率來實現(xiàn)。SNCCP給出了一個加權(quán)公平性度量fM，并證明了fM=1?O(M?2)，這里 M是指第 M個周期。本文用由7個節(jié)點組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來評估SNCCP，實驗結(jié)果表明，SNCCP的加權(quán)公平性平均達到了99%，遠高于其他的基于速率的擁塞控制協(xié)議。另外，與目前最好的基于速率控制的擁塞控制協(xié)議PCCP相比，SNCCP的網(wǎng)絡(luò)吞吐量和加權(quán)公平性分