無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量高效數(shù)據(jù)收集技術(shù)研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是延伸人類認識世界的一種全新的信息獲取方式。它南可以被隨機播撒或人工放置方式部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量微型無線傳感器節(jié)點組成,這些無線節(jié)點之間通過無線通信方式形成一個多跳的自組織網(wǎng)絡(luò),協(xié)作地感知、計算處理和收集網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測覆蓋區(qū)域中感知目標的數(shù)據(jù)信息,并將其傳遞給網(wǎng)絡(luò)中的匯聚節(jié)點和用戶。因此,數(shù)據(jù)收集是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本功能,是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般具有大規(guī)模、自組織、隨機布置、環(huán)境復(fù)雜、節(jié)點資源有限、

2、網(wǎng)絡(luò)拓撲動態(tài)變化等特點,尤其是無線傳感器節(jié)點一般采用電池供電,網(wǎng)絡(luò)的能源有限。因此,研究高能效的數(shù)據(jù)收集協(xié)議,提高網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能量的有效利用率、延長網(wǎng)絡(luò)壽命,成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的熱點問題。
　　 當前,國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了大量的工作來研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收集協(xié)議,但仍然存在許多未解決的問題。本文根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本特征,在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上,深入分析和討論了適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的高能效數(shù)據(jù)收集技術(shù)。
　　 本

3、論文的主要內(nèi)容和創(chuàng)新性研究成果分為以下四個方面:
　　 1.建立了一種適用于監(jiān)測突發(fā)事件的一大類無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型,該模型中的所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點均采用雙信道的節(jié)點結(jié)構(gòu)。結(jié)合監(jiān)測突發(fā)事件的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用特點,該模型定義了節(jié)點兩個信道的工作模式。該模型采用節(jié)點在喚醒信道的周期同步偵聽來確保網(wǎng)絡(luò)局部的連通度,減少節(jié)點的空閑偵聽能量消耗,為控制節(jié)點局部連通度的穩(wěn)定和一致以及提高數(shù)據(jù)傳遞的可靠性和及時性提供基礎(chǔ)。

4、　　 2.提出了一種基于地理位置信息的高能效數(shù)據(jù)收集協(xié)議REEGF(GeographicForwarding Protocol with Reliable and Energy-Efficient),該協(xié)議在原有的地理位置路由協(xié)議GeRaF(Geographic Random Forwarding)的基礎(chǔ)上,結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC層協(xié)議S-MAC和啟發(fā)式拓撲控制協(xié)議STEM,增加了拓撲控制的節(jié)能措施,修改了后選中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的選擇方

5、法,將路由、拓撲控制和MAC整合為單一的層,減少了節(jié)點的空閑能量消耗和通信控制開銷,使得網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳遞的報文遞送率顯著提高,多跳時延、能量消耗大大減少,節(jié)點的能量消耗更加均衡,從而延長了整個網(wǎng)絡(luò)的生存時間。通過理論分析和仿真實驗充分說明了REEGF協(xié)議的有效性。
　　 3.針對現(xiàn)有多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集協(xié)議中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點選擇算法效率不高的問題,提出了一種高能效的中繼節(jié)點快速選擇算法(Energy efficientrelay n

6、ode fast selection algorithm,EERNFS)。EERNFS算法利用分時共享信道的方法周期性地維護網(wǎng)絡(luò)同步和更新節(jié)點的鄰居信息來控制網(wǎng)絡(luò)的拓撲,以確保網(wǎng)絡(luò)瞬時連通度的穩(wěn)定和一致；基于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的位置信息和鏈路質(zhì)量的分布式估計,EERNFS選擇具有最大地理優(yōu)先級和價值最大的候選中繼節(jié)點作為中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點,減少了數(shù)據(jù)傳遞的路由平均跳距,平衡了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的平均能量消耗:采用乘性增加最高地理優(yōu)先級或退避時間最小的節(jié)點所對應(yīng)區(qū)

7、域的時間窗口方法,EERNFS算法分解候選中繼節(jié)點間的競爭問題,減少了數(shù)據(jù)傳遞的時間。理論分析和實驗結(jié)果說明了本文的EERNFS算法在網(wǎng)絡(luò)性能方面的優(yōu)越性。
　　 4.提出了一種適宜大規(guī)模多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高能效協(xié)作數(shù)據(jù)收集協(xié)議ESCDD(Energy-efficient single-node-based cooperative data delivery,ESCDD)。ESCDD采用依賴局部信息的節(jié)點睡眠調(diào)度控制策略分布式

8、控制節(jié)點的連通度,減少節(jié)點的空閑偵聽；利用類似GeRaF的方法基于地理位置信息的貪婪機制,ESCDD選擇中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點,減少了數(shù)據(jù)傳遞的平均跳數(shù)；利用節(jié)點物理層的功率控制在每一跳選擇單個協(xié)作節(jié)點,ESCDD執(zhí)行協(xié)作數(shù)據(jù)傳遞,并以最大比合并方式恢復(fù)數(shù)據(jù)信息,不斷執(zhí)行這種協(xié)作傳遞來完成數(shù)據(jù)的多跳遞送。因此,ESCDD通過采用單節(jié)點的協(xié)作機制,顯著地提高了多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)報文遞送率,減少了數(shù)據(jù)收集的多跳平均時延,降低了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的平均能量