無線傳感器網絡高能效可靠數據傳輸理論及應用研究.pdf

1、微機電系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)、計算機網絡以及無線通信等技術的進步與融合，推動了無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network，簡稱WSN)的產生與快速發(fā)展。無線傳感器網絡通常由大量具有無線通信和數據處理能力的微型傳感器節(jié)點以自組織的方式構成，它將邏輯上的信息世界與真實的物理世界有機融合，深刻地改變了人與自然的交互方式，并對現代科學技術產生了極其深遠的影響。由于無線傳感器網絡節(jié)點的資源嚴格受限，并且常被應用在惡劣的環(huán)境中，這給無

2、線傳感器網絡的理論和應用研究帶來了很多挑戰(zhàn)。
　　 高能效可靠數據傳輸是無線傳感器網絡研究中的一個基礎和關鍵問題，它決定了節(jié)點感知的數據如何經多跳路由傳輸到基站，對網絡的通信性能和能量使用效率都有著關鍵的影響。針對無線傳感器網絡的本質特點，研究高能效可靠數據傳輸理論和應用技術具有非常重要的意義。
　　 為了保障數據傳輸可靠性和提高數據傳輸能效，本文在無狀態(tài)地理轉發(fā)原理的基礎上，圍繞著路由沖突優(yōu)化、基于簇的可靠傳輸以及基于

3、軌跡的分離多路徑可靠傳輸等理論與技術展開了深入研究；并結合工業(yè)自動化對無線傳感器網絡的應用需求，設計并實現了一種基于無線傳感器網絡的在線分析儀表故障診斷系統(tǒng)。本文取得的理論研究成果和創(chuàng)新點如下：
　　 1.針對無狀態(tài)地理轉發(fā)協(xié)議中的路由沖突問題，提出了一種基于分布式模糊綜合評判的路由沖突優(yōu)化機制FCEOS。該機制將“分布式模糊綜合評判”與“優(yōu)先級競爭”相結合，在對所有下一跳候選節(jié)點的轉發(fā)距離、鏈路質量、剩余能量等因素進行權衡的基

4、礎上，從中篩選出少數性能較優(yōu)的來參與下一跳轉發(fā)權的競爭，以此降低候選節(jié)點間的沖突概率，提升協(xié)議的路由效率。理論分析與實驗結果表明：FCEOS通過優(yōu)化路由沖突，可以在無狀態(tài)地理轉發(fā)協(xié)議原有性能基礎上有效提升數據傳輸的能效和降低數據傳輸的時延。
　　 2.針對現有多路徑傳輸協(xié)議中冗余轉發(fā)能耗過高的問題，本文在FCEOS研究成果的基礎上，將以“節(jié)點”為單位的地理轉發(fā)拓展成以“簇”為單位的地理轉發(fā)，并由此提出兩種基于動態(tài)簇的可靠傳輸機制

5、CCRD和RCRD。在這兩種機制中，數據均是以簇為每跳單位向基站傳輸；各個簇通過其成員間的協(xié)作來保證傳輸的可靠性，并通過限制簇成員數量來降低冗余傳輸能耗；簇是動態(tài)的，在參與數據轉發(fā)前建立，完成任務后自動撤銷。理論分析和實驗結果表明：與已有研究成果相比，這兩種機制在保障數據傳輸可靠性的同時，能有效提高數據傳輸能效和降低數據傳輸時延；并且CCRD適合應用在節(jié)點高密度部署的網絡中，而RCRD則適合應用在較稀疏的網絡中。
　　 3.為了

6、在無線傳感器網絡中實現圖像、視頻等多媒體流的實時、可靠和高效傳輸，本文在RCRD研究成果的基礎上，提出了一種基于橢圓軌跡的分離多路徑可靠傳輸機制ETRF。ETRF利用地理位置信息，在信源節(jié)點和基站間構建能均勻分布的橢圓軌跡分離多路徑，進而將大塊的多媒體流分成多個較小的分組流，使其分別沿不同的軌跡路徑向基站并行傳輸；ETRF將冗余多路徑與冗余編碼機制相結合，并在每單條路徑上采用了基于動態(tài)簇的可靠轉發(fā)機制。理論分析和實驗結果表明：與已有研究

7、成果相比，ETRF能在動態(tài)性較強的無線傳感器網絡環(huán)境中有效提升多媒體流傳輸的實時性、可靠性和高效性。
　　 4.結合工業(yè)分析儀表對故障診斷系統(tǒng)的實際需求，本文設計并實現了一種基于Zigbee無線傳感器網絡的在線分析儀表故障診斷系統(tǒng)。首先根據工業(yè)生產組織結構，構建了系統(tǒng)整體框架；基于此框架提出了分層故障診斷機制，通過將診斷任務在不同設備中分布執(zhí)行來提高系統(tǒng)的診斷效率；接著提出了多網冗余熱備份與終端節(jié)點網間切換相結合的組網機制，以克