高數(shù)據(jù)率WSN節(jié)能策略與QoS機制研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡是由大量無處不在的、具有無線通信與計算能力的微小傳感器節(jié)點構(gòu)成的自組織分布式多跳網(wǎng)絡，是能根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務的智能協(xié)同系統(tǒng)。無線傳感器網(wǎng)絡是新一代的無線網(wǎng)絡系統(tǒng)，集成了傳感器、微機電系統(tǒng)和無線通信三大技術(shù)，是一種全新的信息獲取和處理技術(shù)。隨著無線傳感器網(wǎng)絡研究的深入和多媒體應用需求的增長，迫切需要將信息量豐富的圖像、音頻甚至視頻等媒體引入到以無線傳感器網(wǎng)絡為基礎(chǔ)的環(huán)境監(jiān)測活動中來，實現(xiàn)細粒度、精準信息的環(huán)境監(jiān)測中，因

2、此，高數(shù)據(jù)率無線傳感器網(wǎng)絡應運而生。高數(shù)據(jù)率無線傳感器網(wǎng)絡將邏輯上的信息世界與真實物理世界融合在一起，將改變?nèi)伺c自然交互的方式。由于高數(shù)據(jù)率無線傳感器網(wǎng)絡相比傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡有不同的特點，所以本論文主要研究了高數(shù)據(jù)率無線傳感器網(wǎng)絡中的兩大熱點問題：新型節(jié)能策略和QoS新機制。 本論文主要從基于負載均衡和能量感知的新型路由協(xié)議、基于MST的混合型拓撲控制算法兩方面來研究高數(shù)據(jù)率無線傳感器網(wǎng)絡的新型節(jié)能策略。目前無線傳感器網(wǎng)絡的路

3、由協(xié)議都是基于網(wǎng)絡負載率較低的假設，只考慮了無線傳感器網(wǎng)絡的能量約束，但是高數(shù)據(jù)率無線傳感器網(wǎng)絡并不如此。根據(jù)高數(shù)據(jù)率無線傳感器網(wǎng)絡的能量高效需求和大數(shù)據(jù)量的特點，本論文提出了一種新型的LBEAR(Load Balanced and Energy Aware Routing)協(xié)議，LBEAR協(xié)議綜合考慮了節(jié)點能量消耗狀態(tài)和節(jié)點的負載擁塞程度，均衡了網(wǎng)絡能量分布和負載分布，通過均衡網(wǎng)絡資源延長了網(wǎng)絡生存周期，從而提高網(wǎng)絡的節(jié)能特性。通過比

4、較分析分簇機制和節(jié)點發(fā)射功率控制機制的優(yōu)缺點，本論文提出了一種適合高數(shù)據(jù)率無線傳感器網(wǎng)絡的MCTC(MST-based Clustering Topology Control)算法。MCTC算法采用了“最大能量最小距離”分簇機制將高數(shù)據(jù)率無線傳感器網(wǎng)絡分為兩層結(jié)構(gòu)，簇內(nèi)成員與簇頭之間、簇頭與基站之間分別采用最小生成樹算法確定鄰居關(guān)系，從而決定節(jié)點發(fā)射功率，同時還可以利用簇頭節(jié)點對簇內(nèi)傳感信息進行數(shù)據(jù)融合來降低通信數(shù)據(jù)量。仿真結(jié)果表明MC

5、TC算法可以降低網(wǎng)絡功耗，延長網(wǎng)絡的生存周期，算法性能與全局最優(yōu)的最小生成樹算法接近。 本文對高數(shù)據(jù)率無線傳感器網(wǎng)絡QoS新機制的研究主要包括兩部分：基于群蟻算法的新型QoS路由協(xié)議和跨層QoS優(yōu)化設計。本論文探討了高數(shù)據(jù)率無線傳感器網(wǎng)絡QoS多約束路由問題的數(shù)學模型，提出了一種高數(shù)據(jù)率無線傳感器網(wǎng)絡中QoS約束路由問題的具體表現(xiàn)——延時約束最大剩余能量率路徑問題，并提出一種利用啟發(fā)式蟻群算法對QoS約束路由問題進行分布式求解的

6、ACO-QoSR(Ant Colony Optimization based QoS Routing)協(xié)議。仿真結(jié)果表明，ACO-QoSR協(xié)議提高了路徑的殘留能量率，同時嚴格滿足路徑的延時約束。跨層優(yōu)化設計是一種嶄新的無線網(wǎng)絡協(xié)議設計哲學，本論文將跨層QoS優(yōu)化設計引入到高數(shù)據(jù)率無線傳感器網(wǎng)絡領(lǐng)域中，提出了一種基于中間件的高數(shù)據(jù)率無線傳感器網(wǎng)絡跨層QoS優(yōu)化設計模型，從整體協(xié)議棧的角度優(yōu)化各層協(xié)議。然后，本論文提出了一種解決在高數(shù)據(jù)率無

7、線傳感器網(wǎng)絡中傳輸多描述編碼(MDC)視頻的跨層多徑路由協(xié)議。跨層多徑路由協(xié)議以最大化應用層視頻峰值信噪比(PSNR)作為優(yōu)化目標，由物理層和MAC層聯(lián)合決定多徑路由的屬性，將多描述編碼的各個描述分別映射到鏈路獨立多徑路由的不同路徑上進行獨立傳輸。仿真結(jié)果表明，跨層多徑路由協(xié)議與K=2最小跳數(shù)路由協(xié)議相比，提高了多描述編碼視頻多徑傳輸?shù)腝oS性能。 最后，本論文探索了高數(shù)據(jù)率傳感器節(jié)點的設計原型，提出一種基于IPv6的圖像采集傳