無線傳感器網(wǎng)絡高能效可靠數(shù)據(jù)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(wǎng)絡以及無線通信等技術(shù)的進步與融合，推動了無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Network，簡稱WSN)的產(chǎn)生與快速發(fā)展。無線傳感器網(wǎng)絡通常由大量具有無線通信和數(shù)據(jù)處理能力的微型傳感器節(jié)點以自組織的方式構(gòu)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(xiàn)代科學技術(shù)產(chǎn)生了極其深遠的影響。由于無線傳感器網(wǎng)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(wǎng)絡的理論和應用研究帶來了很多挑戰(zhàn)。
　　 高能效可靠數(shù)據(jù)傳輸是無線傳感器網(wǎng)絡研究中的一個基礎和關(guān)鍵問題，它決定了節(jié)點感知的數(shù)據(jù)如何經(jīng)多跳路由傳輸?shù)交?，對網(wǎng)絡的通信性能和能量使用效率都有著關(guān)鍵的影響。針對無線傳感器網(wǎng)絡的本質(zhì)特點，研究高能效可靠數(shù)據(jù)傳輸理論和應用技術(shù)具有非常重要的意義。
　　 為了保障數(shù)據(jù)傳輸可靠性和提高數(shù)據(jù)傳輸能效，本文在無狀態(tài)地理轉(zhuǎn)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?shù)壤碚撆c技術(shù)展開了深入研究；并結(jié)合工業(yè)自動化對無線傳感器網(wǎng)絡的應用需求，設計并實現(xiàn)了一種基于無線傳感器網(wǎng)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(zhuǎn)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(jié)合，在對所有下一跳候選節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)距離、鏈路質(zhì)量、剩余能量等因素進行權(quán)衡的基

4、礎上，從中篩選出少數(shù)性能較優(yōu)的來參與下一跳轉(zhuǎn)發(fā)權(quán)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(jié)果表明：FCEOS通過優(yōu)化路由沖突，可以在無狀態(tài)地理轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議原有性能基礎上有效提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪苄Ш徒档蛿?shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延。
　　 2.針對現(xiàn)有多路徑傳輸協(xié)議中冗余轉(zhuǎn)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(zhuǎn)發(fā)拓展成以“簇”為單位的地理轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)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?shù)目煽啃?，并通過限制簇成員數(shù)量來降低冗余傳輸能耗；簇是動態(tài)的，在參與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)前建立，完成任務后自動撤銷。理論分析和實驗結(jié)果表明：與已有研究成果相比，這兩種機制在保障數(shù)據(jù)傳輸可靠性的同時，能有效提高數(shù)據(jù)傳輸能效和降低數(shù)據(jù)傳輸時延；并且CCRD適合應用在節(jié)點高密度部署的網(wǎng)絡中，而RCRD則適合應用在較稀疏的網(wǎng)絡中。
　　 3.為了

6、在無線傳感器網(wǎng)絡中實現(xiàn)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(gòu)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(jié)合，并在每單條路徑上采用了基于動態(tài)簇的可靠轉(zhuǎn)發(fā)機制。理論分析和實驗結(jié)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(wǎng)絡環(huán)境中有效提升多媒體流傳輸?shù)膶崟r性、可靠性和高效性。
　　 4.結(jié)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(xiàn)了一種基于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡的在線分析儀表故障診斷系統(tǒng)。首先根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)組織結(jié)構(gòu)，構(gòu)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(wǎng)冗余熱備份與終端節(jié)點網(wǎng)間切換相結(jié)合的組網(wǎng)機制，以克