無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中若干資源共享問題的研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由具有一定計(jì)算及無線通信能力的傳感器節(jié)點(diǎn)和用于收集數(shù)據(jù)的sink節(jié)點(diǎn)所組成的無線自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。近年來，隨著人們對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的不斷深入、對(duì)其在各種應(yīng)用領(lǐng)域的不斷實(shí)踐，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模部署提供了理論依據(jù)并積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各種可行的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，帶有多移動(dòng)sink的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)尤其適合大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署。在這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，移動(dòng)sink可以充當(dāng)傳統(tǒng)意義上的數(shù)據(jù)收集者對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存、處理并提供給

2、更高級(jí)的應(yīng)用。從另一方面，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的最終用戶也可以直接訪問傳感器節(jié)點(diǎn)從而可以被看作為多個(gè)移動(dòng)sink。這種情況下各個(gè)用戶之間通常沒有邏輯上的直接聯(lián)系，它們需要共享網(wǎng)絡(luò)所提供的數(shù)據(jù)。無論哪種情況，在多個(gè)移動(dòng)sink之間提供公平性都具有重要意義。本文將圍繞該主題展開討論，對(duì)帶有多sink的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的若干公平性問題進(jìn)行定義，并通過理論模型對(duì)這些問題進(jìn)行分析進(jìn)而提出解決它們的方法。 本文工作將包括以下幾個(gè)方面： (

3、1)對(duì)使用圓盤形請(qǐng)求范圍的多sink無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，利用一種基于密集節(jié)點(diǎn)假設(shè)的基于流的數(shù)據(jù)流量模型對(duì)sink效用的max-min公平性問題進(jìn)行討論。在該網(wǎng)絡(luò)模型下，sink所能夠取得的最大請(qǐng)求范圍受限于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的無線數(shù)據(jù)傳輸帶寬。因此sink與節(jié)點(diǎn)之間必須相互協(xié)調(diào)以使多個(gè)sink獲得公平的請(qǐng)求范圍。本文通過理論分析給出一種簡(jiǎn)單的雙sink網(wǎng)絡(luò)情況下的max-min公平請(qǐng)求范圍表達(dá)式，并提出一種可以部署于sink及傳感器節(jié)點(diǎn)上的分布式算法

4、用于近似求解多sink情況下的max-min公平性問題。對(duì)算法的仿真實(shí)驗(yàn)證明了其有效性并揭示了網(wǎng)絡(luò)工作于max-min公平請(qǐng)求時(shí)的一些問題。 (2)仿真實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，max-min公平請(qǐng)求狀態(tài)下網(wǎng)絡(luò)利用率較低。而且通常情況下，公平性與效率之間存在矛盾，不能二者兼顧。該現(xiàn)象是否也存在于帶有多移動(dòng)sink的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中?本文將使用網(wǎng)絡(luò)覆蓋作為網(wǎng)絡(luò)利用率的衡量指標(biāo)對(duì)此進(jìn)行研究。實(shí)際上，通過對(duì)雙sink情況的理論分析，max-min公平

5、請(qǐng)求范圍僅在某些情況下可以取得最大網(wǎng)絡(luò)覆蓋；而在多sink情況下的仿真實(shí)驗(yàn)表明存在不同于max-min公平請(qǐng)求的其它請(qǐng)求配置可以取得更大的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。 (3)使用基于跳數(shù)的請(qǐng)求模型對(duì)多sink的公平性進(jìn)行研究。此時(shí)，sink請(qǐng)求范圍的離散取值使得在某些情況下max-min公平請(qǐng)求并不存在。因此必須使用基于字典序的max-min公平性代替通常的max-min公平性對(duì)多sink公平性問題進(jìn)行研究。本文發(fā)現(xiàn)，基于字典序的max-min公

6、平性問題可以利用多維多選擇背包問題予以描述。除此之外，多維多選擇背包問題通常所使用的全局效用優(yōu)化目標(biāo)恰好適合描述多sink無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的最大化sink效用問題。結(jié)合二者，本文提出了適合兩種優(yōu)化目標(biāo)的統(tǒng)一的問題描述，該描述也可以用于多sink無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的其它優(yōu)化問題?；谠摻y(tǒng)一描述，本文提出了用于近似求解兩種優(yōu)化問題的分布式算法框架。用于不同優(yōu)化目標(biāo)的具體算法可以很容易被納入該算法框架從而極大簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際部署。大量的仿真實(shí)驗(yàn)表

7、明所提出的算法可以取得相關(guān)優(yōu)化問題較好的近似解。所重點(diǎn)討論的兩種優(yōu)化目標(biāo)對(duì)網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生的影響也通過仿真結(jié)果得到反映。 (4)為了支持用戶(sink)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)自由移動(dòng)，本文在假設(shè)使用基于地理位置的路由的基礎(chǔ)上，對(duì)三種基本的sink位置更新機(jī)制進(jìn)行研究：鄰居更新、洪泛更新、單播更新進(jìn)行研究，并推導(dǎo)出三種方式的控制流量及能量消耗表達(dá)式。通過分析和比較各種方式在不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的性能，我們提出了一種自適應(yīng)更新方式選擇算法，使得移動(dòng)

8、sink可以根據(jù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流量、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、網(wǎng)絡(luò)密度選擇高效的方式對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行位置更新。本文通過大量仿真對(duì)三種位置更新方式以及自適應(yīng)選擇算法的性能進(jìn)行評(píng)估，并與TTDD協(xié)議進(jìn)行比較，結(jié)果證明所提出的自適應(yīng)選擇算法能夠根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)選擇合適的更新方式完成位置更新并降低網(wǎng)絡(luò)能耗。該機(jī)制適用于使用地理位置路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)并可以被用于前述各個(gè)網(wǎng)絡(luò)模型中支持移動(dòng)用戶。 本文討論的重點(diǎn)將限于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。然而，相關(guān)問題可以被擴(kuò)展到其它大規(guī)