地理位置信息受限的WSN-MS數(shù)據(jù)收集策略研究.pdf

1、在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，存在著“傳輸熱點(diǎn)”問(wèn)題，即位于基站附近的一部分節(jié)點(diǎn)，需要承擔(dān)大量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，快速消耗能量，從而導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)過(guò)早失效，縮短網(wǎng)絡(luò)生存周期。為了延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存周期，一種重要的方法是通過(guò)基站的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)能量的有效利用。具有移動(dòng)基站的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network with Mobile Sink，WSN-MS）能夠使得在不同的時(shí)間段由不同區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)承擔(dān)與基站直接通信的任務(wù)，從而均衡節(jié)點(diǎn)能耗，緩

2、解網(wǎng)絡(luò)的傳輸熱點(diǎn)問(wèn)題，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存周期。另一方面，在某些情況下，由于節(jié)點(diǎn)部署環(huán)境、感知能力和成本等因素的限制，節(jié)點(diǎn)無(wú)定位設(shè)備，難以獲取地理位置信息。此時(shí)，獨(dú)立于地理位置信息的數(shù)據(jù)收集策略是必要的。
　　本文重點(diǎn)研究了節(jié)點(diǎn)地理位置信息缺失時(shí)，WSN-MS數(shù)據(jù)收集過(guò)程中的基站狀態(tài)信息更新，網(wǎng)絡(luò)路由和基站移動(dòng)路徑規(guī)劃三個(gè)方面。論文在研究方法與思路上力求有所突破，主要研究工作和成果包括以下幾個(gè)方面：
　?、籴槍?duì)無(wú)節(jié)點(diǎn)地理位置信息時(shí)，

3、基站移動(dòng)后狀態(tài)信息更新和網(wǎng)絡(luò)路由建立與維護(hù)的需求，提出了基于追逐算法的骨干網(wǎng)絡(luò)生成算法。將上述需求局限于含有少量節(jié)點(diǎn)的骨干網(wǎng)絡(luò)，從而減少相關(guān)的通信開(kāi)銷。本文的算法首先形成支配集，將各支配節(jié)點(diǎn)視為學(xué)習(xí)自動(dòng)機(jī)并求取動(dòng)作集，通過(guò)追逐算法迭代優(yōu)化支配節(jié)點(diǎn)的動(dòng)作，最終獲得最小連通支配集的一個(gè)近似解作為骨干網(wǎng)絡(luò)。本文也對(duì)使用時(shí)變學(xué)習(xí)參數(shù)時(shí)，算法的ε最優(yōu)性進(jìn)行了證明。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比于其他骨干網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建算法，本文提出的算法獲得的骨干網(wǎng)絡(luò)具有更少節(jié)

4、點(diǎn)數(shù)目，較小的節(jié)點(diǎn)度，同時(shí)保證其獲取過(guò)程的通信開(kāi)銷合理的范圍。
　?、谘芯苛斯?jié)點(diǎn)地理位置信息缺失及存在失效節(jié)點(diǎn)時(shí)，基站移動(dòng)后狀態(tài)信息更新的廣播協(xié)議，提出了擴(kuò)展定向支配裁剪（EDDP）算法。EDDP引入貪婪嵌入過(guò)程，賦予節(jié)點(diǎn)虛擬坐標(biāo)，并根據(jù)這些坐標(biāo)形成節(jié)點(diǎn)的定向鄰節(jié)點(diǎn)集，使得轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集中所需覆蓋的鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)目更少，減少冗余數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。EDDP選擇輔助轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，保證了網(wǎng)絡(luò)存在失效節(jié)點(diǎn)時(shí)廣播消息的傳輸。根據(jù)節(jié)點(diǎn)獲得的不同的鄰節(jié)點(diǎn)信息，進(jìn)一

5、步提出了擴(kuò)展定向全支配裁剪算法和擴(kuò)展定向部分支配裁剪算法，以減少更多的冗余數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。此外，針對(duì)廣播過(guò)程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的判定準(zhǔn)則，提出了簡(jiǎn)版標(biāo)記和未標(biāo)記終止準(zhǔn)則，以移除原有終止準(zhǔn)則中對(duì)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)查詢消息的依賴。與忽略查詢消息和應(yīng)答消息影響后的標(biāo)記/未標(biāo)記終止條件相比，算法性能只有輕微的降低。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)算法，本文算法能夠有效減少網(wǎng)絡(luò)中參與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目，降低數(shù)據(jù)包的沖突次數(shù)和冗余數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。
　?、垩芯苛斯?jié)點(diǎn)地理位置信

6、息缺失及存在失效節(jié)點(diǎn)時(shí)，基站移動(dòng)后節(jié)點(diǎn)與基站間路由的快速重構(gòu)，提出了基于虛擬節(jié)點(diǎn)的貪婪嵌入（VGE）算法，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了一種新型路由算法。VGE算法賦予各節(jié)點(diǎn)虛擬坐標(biāo)，使得網(wǎng)絡(luò)的任意兩節(jié)點(diǎn)間都存在著一條貪婪路徑。如果網(wǎng)絡(luò)中無(wú)失效節(jié)點(diǎn)，貪婪轉(zhuǎn)發(fā)路由總是有效。當(dāng)新節(jié)點(diǎn)的加入時(shí)，VGE算法能夠在不改變其他節(jié)點(diǎn)虛擬坐標(biāo)的前提下，維持網(wǎng)絡(luò)的貪婪特性?；诠?jié)點(diǎn)虛擬坐標(biāo)的特點(diǎn)，本文提出了改進(jìn)型重力-壓力路由算法，保證了存在失效節(jié)點(diǎn)時(shí)，數(shù)據(jù)順

7、利傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)。此外，本文求取了貪婪嵌入相關(guān)參數(shù)的一種具有簡(jiǎn)潔表達(dá)式的特解。與其他基于虛擬坐標(biāo)的路由方法相比，不管網(wǎng)絡(luò)中是否存在失效節(jié)點(diǎn)或障礙物，本文的算法能夠正常的工作且獲得更小的路徑擴(kuò)張比（意味著節(jié)點(diǎn)間平均通信的跳數(shù)更少，有利于減少通信能耗）。
　?、茚槍?duì)具有單基站且其移動(dòng)環(huán)路長(zhǎng)度受限的時(shí)延容忍網(wǎng)絡(luò)，提出了一種獨(dú)立于節(jié)點(diǎn)地理位置信息的基于交叉熵的基站移動(dòng)環(huán)路制定策略。其以最小化網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸總能耗為目標(biāo)，在環(huán)路形成的過(guò)程中，綜