災難場景下無線傳感器網(wǎng)絡容錯數(shù)據(jù)收集協(xié)議研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡在人們無法接近的惡劣或特殊環(huán)境的監(jiān)測與數(shù)據(jù)采集中有著重要作用，如水災、火災、山體滑坡等災害的監(jiān)測預警。在這類惡劣應用環(huán)境中，網(wǎng)絡節(jié)點面臨不可預知的故障或突然死亡，嚴重影響到網(wǎng)絡監(jiān)測數(shù)據(jù)的完整性和可用性。一方面，由于無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點失效造成網(wǎng)絡收集和傳輸數(shù)據(jù)的丟失；另一方面，緊急情況下，監(jiān)測網(wǎng)絡產(chǎn)生數(shù)據(jù)的速率將大大超過數(shù)據(jù)輸出的帶寬，瓶頸效應將導致數(shù)據(jù)從采集節(jié)點至匯聚節(jié)點的傳播路徑上出現(xiàn)嚴重的傳輸時延，從而加大了數(shù)據(jù)丟失

2、的風險。因此，在災難場景的大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡中，數(shù)據(jù)可靠收集是非常具有挑戰(zhàn)性問題。
　　隨著網(wǎng)絡編碼的提出，各國學者已提出多種特性不同的網(wǎng)絡編碼技術來解決災難場景的傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)收集問題，其中具有代表性是Kamra等在SIGCOMM2006提出的Growth Codes編解碼技術以及后續(xù)的研究工作，通過增量編碼和隨機分布復制的方式提高網(wǎng)絡采集數(shù)據(jù)的持久性，較好地解決災難場景中的零配置網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)可靠采集問題。然而，Growth Cod

3、es編碼造成網(wǎng)絡中存在大量的冗余副本數(shù)據(jù)，且網(wǎng)絡中可用數(shù)據(jù)的比例隨著已收集數(shù)據(jù)量的增加而急劇降低，導致數(shù)據(jù)采集效率受到較大影響，特別是在稀疏型網(wǎng)絡中表現(xiàn)尤為明顯。
　　針對災難應用場景的無線傳感網(wǎng)絡可靠數(shù)據(jù)收集效率問題，本文在Growth Codes編碼技術基礎上提出了新的局部配置網(wǎng)絡模型、數(shù)據(jù)監(jiān)聽緩存機制、基于反饋的數(shù)據(jù)過濾匯聚方法、多數(shù)據(jù)源編碼等方法，大幅提高了不同網(wǎng)絡密度情況下的可靠數(shù)據(jù)收集效率，并且在高節(jié)點故障率下保持數(shù)據(jù)

4、收集協(xié)議的魯棒性。具體包括以下工作：
　　(1)針對Growth Codes協(xié)議數(shù)據(jù)收集效率低的問題，本文提出了單跳樹和零配置網(wǎng)絡結合的局部配置網(wǎng)絡模型，結合單跳樹的定向數(shù)據(jù)匯聚特性，設計了多節(jié)點分布式數(shù)據(jù)監(jiān)聽緩存機制、數(shù)據(jù)預過濾策略和基于數(shù)據(jù)輸出過濾機制的數(shù)據(jù)收集協(xié)議FGCP(Filtering and Growth Codes based protocol)。該協(xié)議有效地提高了匯聚節(jié)點接收到可解碼新數(shù)據(jù)的概率，從而大幅提高了災

5、難場景中的數(shù)據(jù)可靠收集效率。通過性能實驗評估，F(xiàn)GCP能夠顯著提高整體的數(shù)據(jù)采集效率同時協(xié)議保持了較好的魯棒性。
　　(2)Growth Codes編碼是將存儲單元中的數(shù)據(jù)與自身采集到的數(shù)據(jù)單元進行編碼組合，在稀疏型網(wǎng)絡中存在明顯的數(shù)據(jù)分布局部性問題，對于稀疏型網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)采集效率造成很大影響。針對該問題，本文設計了使數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中分布更加均勻的多數(shù)據(jù)源編碼策略，使得離收集節(jié)點較遠的數(shù)據(jù)能夠以相似的概率被回收，提出了基于數(shù)據(jù)均勻策略的

6、改進型收集協(xié)議MFGCP(Modified FGCP)，顯著提高了稀疏型網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)回收效率。
　　(3)在FGCP協(xié)議的單跳數(shù)據(jù)收集樹結構中，鄰近緩存節(jié)點監(jiān)聽到大量相同數(shù)據(jù)，造成緩存節(jié)點數(shù)據(jù)過度冗余問題。本文將局部配置網(wǎng)絡模型中的單跳數(shù)據(jù)收集樹簡化為單節(jié)點進行監(jiān)聽過濾，設計了基于數(shù)據(jù)輸出過濾機制的簡化收集協(xié)議SFGCP(SimplifiedFGCP)，使得協(xié)議在密集型網(wǎng)絡中有相近的收集效率，而且具有更好的節(jié)點故障容忍性。

7、　　(4)編碼度轉換時刻是編碼過程中編碼度增加的時刻，Growth Codes給出了最優(yōu)度轉換時刻的理論值，是該類協(xié)議設計實現(xiàn)的理論基礎，而最優(yōu)度轉換時刻與網(wǎng)絡拓撲模型密切相關。本文結合新的局部配置網(wǎng)絡模型和FGCP協(xié)議，通過理論分析和推導證明給出了適用于局部配置網(wǎng)絡模型的碼字度轉換時刻，得到了最優(yōu)的碼字度轉換時刻序列，并在協(xié)議仿真實現(xiàn)中得到實際驗證，利用新的編碼度轉換時刻可以得到更好的數(shù)據(jù)收集速率。
　　在災難場景的大規(guī)模傳感器