無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)理論與應(yīng)用研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN，Wireless Sensor Networks)是由一組稠密布置、隨機(jī)撒布的傳感器組成的無線自組織網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理區(qū)域內(nèi)感知對(duì)象的信息，并發(fā)布給觀察者。開展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究，對(duì)于提高我國(guó)國(guó)防信息化水平，滿足特殊應(yīng)用領(lǐng)域的需要，促進(jìn)核心技術(shù)的實(shí)用化，最終實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的普遍化，形成新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，有重要意義。 本文主要對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基本理論、QoS模型、拓

2、撲控制算法、路由算法和原型系統(tǒng)等5個(gè)方面進(jìn)行了研究，主要工作及創(chuàng)新點(diǎn)包括： (1)基于任務(wù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究方法與QoS機(jī)制在歸納無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本形態(tài)特征和技術(shù)內(nèi)涵進(jìn)行了分析和論述，提出了基于任務(wù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分類方法，并對(duì)不同種類網(wǎng)絡(luò)的表現(xiàn)形態(tài)進(jìn)行了討論。在此基礎(chǔ)上，對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了研究和定義，明確了節(jié)點(diǎn)同一性這一重要原則，指出了同基于路由表的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別，并對(duì)簇間連通

3、性進(jìn)行了證明；針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和軟件開發(fā)問題，提出了協(xié)議和軟件設(shè)計(jì)的基本原則，以及一種基于軟總線的模塊化節(jié)點(diǎn)軟件體系結(jié)構(gòu)。最后，通過對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作中面臨的三個(gè)基本問題，及其同QoS之間的關(guān)系的討論，提出了主動(dòng)QoS的概念，并對(duì)其設(shè)計(jì)思想、結(jié)構(gòu)形式、工作過程和狀態(tài)評(píng)價(jià)等關(guān)鍵問題進(jìn)行了探討，對(duì)其可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。 (2)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主動(dòng)QoS模型提出了一種基于中間件、面向服務(wù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主動(dòng)QoS模型－QISM(O

4、oS Infrastructure based on Service and Middleware)，對(duì)其設(shè)計(jì)思想、體系結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵模塊和工作過程進(jìn)行了論述，是主動(dòng)QoS概念的具體運(yùn)用。QISM是位于協(xié)議棧和應(yīng)用之間的一個(gè)軟件層，QISM從執(zhí)行主體的角度，可以分為應(yīng)用動(dòng)態(tài)調(diào)整和任務(wù)主動(dòng)調(diào)節(jié)2個(gè)相互關(guān)聯(lián)的過程。服務(wù)發(fā)布和訂閱機(jī)制，是QISM的基礎(chǔ)?；趹?yīng)用和網(wǎng)絡(luò)反饋協(xié)商的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)制，基于應(yīng)用、狀態(tài)和角色的QoS優(yōu)化方案，基于中間件和服務(wù)發(fā)

5、布與訂閱的體系結(jié)構(gòu)，以及基于Topic和功能域的表達(dá)方式，是QISM的重要特點(diǎn)。通過基于應(yīng)用生命期和能量的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)模型的仿真表明，QISM通過對(duì)應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，使網(wǎng)絡(luò)最大限度的支持應(yīng)用，應(yīng)用最大程度的適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)，從而更好地保證了應(yīng)用的完成，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生命期。 (3)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)簇組織算法提出了一種適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式動(dòng)態(tài)簇組織算法－DSCO(Distributed Simple Cluster Organiza

6、tion Algorithm)，對(duì)算法基本思想和具體實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了論述，并對(duì)簇組織算法的若干性能評(píng)價(jià)指標(biāo)做了研究和定義。考慮到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的處理能力和能耗，以及不可靠的布署環(huán)境帶來的不可靠信道，DSCO采用局部算法，僅使用局部信息，不保留路由表，避免節(jié)點(diǎn)在邏輯上相互依賴。邏輯簡(jiǎn)單，基于無連接的消息交換，不需要節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步，是算法的重要特點(diǎn)。算法通過簇首輪換和全局簇重組，在平均節(jié)點(diǎn)能耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命期的同時(shí)，使網(wǎng)絡(luò)具有良好的自愈能力。仿

7、真結(jié)果表明，DSCO在成簇率、簇成員分布、成簇時(shí)間和拓?fù)淇刂频确矫妫〉昧溯^好的結(jié)果，尤其對(duì)大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，有良好的適應(yīng)能力，可以獲得較高的成簇率和較快的成簇速度。 (4)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)高程ACS算法提出了高程的概念和一種基于高程誘導(dǎo)信息的回退蟻群算法－高程ACS，并對(duì)高程定義、算法設(shè)計(jì)思想和算法實(shí)現(xiàn)等進(jìn)行了論述。ACS(蟻群算法)做為ACO(蟻群優(yōu)化)的重要組成和發(fā)展，在解決組合最優(yōu)化問題方面有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也存在運(yùn)

8、算時(shí)間長(zhǎng)、收斂速度慢等問題，不適合在資源受限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上直接應(yīng)用。高程做為一種基于目的節(jié)點(diǎn)和源節(jié)點(diǎn)的全局誘導(dǎo)信息，反映了當(dāng)前節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的可達(dá)性，體現(xiàn)了當(dāng)前節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)間的距離、當(dāng)前節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)同源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)之間夾角對(duì)路徑尋優(yōu)的影響。高程的引入，有效的提高了算法的收斂速度。螞蟻回退過程的引入，提高了螞蟻到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的概率，進(jìn)一步避免了局部最優(yōu)解的形成。仿真結(jié)果表明，高程ACS具有收斂和運(yùn)算速度快，解的質(zhì)量高、穩(wěn)定性好

9、等優(yōu)點(diǎn)，為蟻群算法在資源受限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用，提出了一種解決方案。 (5)基于簇結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原型系統(tǒng)提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于簇組織結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)原型系統(tǒng)，給出了節(jié)點(diǎn)硬件和藍(lán)牙Sink網(wǎng)關(guān)的模塊結(jié)構(gòu)，并對(duì)基于簇的多跳路由(CMR，Cluster-based Multihop Routing)組件的基本設(shè)計(jì)思想、組件結(jié)構(gòu)和消息結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)分析和論述，最后給出了原型系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證實(shí)例。原型系統(tǒng)由30個(gè)小型節(jié)點(diǎn)組成，