基于裝箱分析的傳感器網(wǎng)絡(luò)性能研究.pdf

1、隨著通信和微電子技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了一種新型網(wǎng)絡(luò)-無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN).這種網(wǎng)絡(luò)在軍事和民用市場上都有廣泛的應(yīng)用前景,如目標追蹤、環(huán)境監(jiān)控及醫(yī)療系統(tǒng)等.通常這種網(wǎng)絡(luò)是由許多電池供電的傳感器節(jié)點組成,多個傳感器節(jié)點通過協(xié)同操作來實現(xiàn)用戶需要的任務(wù).在實際應(yīng)用中受環(huán)境約束,傳感器節(jié)點中電池不易于充電,從而能量效率是WSN設(shè)計時主要考慮因素. 由于傳感器節(jié)點受限于能量約束,傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)如IEEE802.11和BlueTooth

2、(藍牙)不能直接應(yīng)用于WSN,因而出現(xiàn)多種改進技術(shù),如能量有效的MAC協(xié)議、能量有效的路由協(xié)議及數(shù)據(jù)聚合(DataAggregation)或數(shù)據(jù)融合(Data Fusion)等.根據(jù)研究表明,數(shù)據(jù)通信是傳感器節(jié)點主要能耗操作,本文致力于對WSN中Bandwidth Packing Problem(BWP)的研究.主要研究數(shù)據(jù)格式長度設(shè)計和無損數(shù)據(jù)聚合算法,目的是提高數(shù)據(jù)通信效率,延長網(wǎng)絡(luò)生命期.論文的第一章簡單介紹了WSN網(wǎng)絡(luò),第二章介

3、紹了WSN中BWP分析的預(yù)備知識,第三章到第六章針對每個問題做了詳細討論. 第三章分析了定長數(shù)據(jù)格式WSN性能,主要包括網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率和能效性.在一些WSN應(yīng)用環(huán)境中為了減少控制開銷來節(jié)省能量,把數(shù)據(jù)包格式設(shè)為定長.然而當應(yīng)用信息長度不固定時,需要添加填充字符(Padding Bits)來格式化為定長數(shù)據(jù).這些填充字符引起帶寬資源浪費,導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)能效降低.另一方面如果應(yīng)用信息比較短時(如溫、濕度數(shù)據(jù)),此時封裝在用戶信息前面的協(xié)議

4、頭開銷將耗去大量的網(wǎng)絡(luò)資源,這也會減低網(wǎng)絡(luò)效率.基于此問題,本文提出一類物件大小受限的離散裝箱問題(BPP).通過對此問題NF;算法的研究,得到協(xié)議頭影響下定長數(shù)據(jù)格式WSN中的平均性能.并在EYES節(jié)點仿真平臺上,討論了定長數(shù)據(jù)格式WSN中協(xié)議頭長度對能效性的影響.根據(jù)本章的研究結(jié)果,在定長數(shù)據(jù)格式WSN設(shè)計時,由協(xié)議頭長度、數(shù)據(jù)包長至少應(yīng)大于3倍的協(xié)議頭,以免出現(xiàn)低效率網(wǎng)絡(luò). 由第三章結(jié)果發(fā)現(xiàn),定長數(shù)據(jù)格式WSN雖然可以減少

5、控制開銷,但用戶信息的可變性,使得每個數(shù)據(jù)包不能被用戶信息填滿,此時需加以填充字符,而收/發(fā)這些填充字符將會引起能量浪費.變長數(shù)據(jù)格式雖然能夠充分利用帶寬資源,但每個數(shù)據(jù)包頭的長度指示單元也引起額外的能耗開銷.這種開銷,在短消息應(yīng)用的WSN中更加明顯.因而第四章提出一種適應(yīng)不同消息環(huán)境的MAC幀長機制-多幀結(jié)構(gòu)(此處以四幀結(jié)構(gòu)為例),來折衷變長數(shù)據(jù)格式控制開銷和定長數(shù)據(jù)格式填充開銷.文中詳細討論了不同幀數(shù)目下最佳幀長的定義.并在WSN仿

6、真平臺中,基于能量有效的T-MAC(Timeout-MAC)協(xié)議上比較了三種幀結(jié)構(gòu)(變長幀、定長幀和改進的幀)的能效性. 在前面兩章性能分析過程中,基于BPP中的NF算法來研究WSN網(wǎng)絡(luò)的性能.NF算法主要優(yōu)勢在于實現(xiàn)簡單,計算復(fù)雜度為O(n).但由參考文獻可知,這種算法性能不是太理想.考慮到WSN環(huán)境能量約束,第五章在NF算法基礎(chǔ)上提出NFTR、NFFR和NFBR三種重分配算法.在簇群(Clustering)結(jié)構(gòu)中,分析了簇點

7、內(nèi)這三種算法的平均性能.根據(jù)得到的結(jié)果,發(fā)現(xiàn)重分配機制尤其適合于數(shù)據(jù)包長度較小的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,如短信息占主導(dǎo)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò).進一步,與NFF(Next FitWith Fragementation)算法作比較,發(fā)現(xiàn)在短消息應(yīng)用的定長數(shù)據(jù)格式WSN中,本文提出的重分配算法在復(fù)雜度相同的情況下,平均性能要好于NFF算法.基于前面提出的重分配算法,第六章為WSN設(shè)計了一種前向比較算法(B2F),用于簇群結(jié)構(gòu)中簇頭節(jié)點對收到的數(shù)據(jù)進行無損聚合.根

8、據(jù)數(shù)據(jù)聚合技術(shù),可以分為兩類:有損和無損聚合.有損聚合雖然可以大幅度減少網(wǎng)絡(luò)通信量,但這種機制會丟棄一部分信息.當網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞失敗時,因信息丟棄會導(dǎo)致這種聚合效率下降.而無損聚合可以避免這種弊端.本文基于級聯(lián)無損聚合機制,提出B2F算法,在滿足低計算復(fù)雜度的前提下,可以獲得更好的匯聚效率.并在傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真平臺上進行能效性分析,發(fā)現(xiàn)在算法復(fù)雜度幾乎不增加的前提下,B2F:算法在能量節(jié)省方面要遠好于FCFS算法. 本文研究的