無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)有效的數(shù)據(jù)收集問(wèn)題研究.pdf

1、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是由大量傳感節(jié)點(diǎn)以自組織方式形成的多跳網(wǎng)絡(luò)，而數(shù)據(jù)收集是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中最基本、也是最重要的操作之一。傳感節(jié)點(diǎn)采集本地感應(yīng)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)多跳路由發(fā)送至基站，并最終轉(zhuǎn)發(fā)給外界用戶。由于目前的傳感節(jié)點(diǎn)由干電池或紐扣電池來(lái)供電，因此設(shè)計(jì)能量有效的數(shù)據(jù)收集協(xié)議是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)研究中的一個(gè)挑戰(zhàn)性課題。另外，低延遲是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中最典型的服務(wù)質(zhì)量(QoS)要求，因?yàn)榈脱舆t的數(shù)據(jù)收集協(xié)議對(duì)于及時(shí)獲取監(jiān)視區(qū)域內(nèi)的異常，避免災(zāi)害發(fā)生或降低災(zāi)害損

2、失都有著舉足輕重的意義。 本文主要研究能量或/與延遲有效的數(shù)據(jù)收集問(wèn)題：覆蓋保持的數(shù)據(jù)收集、面向數(shù)據(jù)收集的節(jié)點(diǎn)布置和無(wú)干擾的節(jié)點(diǎn)調(diào)度方法。并在理論研究成果的基礎(chǔ)上，針對(duì)古建筑火災(zāi)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用需求，我們研發(fā)了基于傳感網(wǎng)絡(luò)的火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 覆蓋保持的數(shù)據(jù)收集是研究如何在網(wǎng)絡(luò)的活動(dòng)節(jié)點(diǎn)密度與節(jié)點(diǎn)傳輸半徑實(shí)現(xiàn)折衷優(yōu)化的問(wèn)題。在傳感網(wǎng)絡(luò)中，如果活動(dòng)節(jié)點(diǎn)密度高，則會(huì)產(chǎn)生大量的冗余數(shù)據(jù)，消耗較多的能量；反之，若活動(dòng)節(jié)點(diǎn)較少，則節(jié)點(diǎn)間的通

3、信距離較大，其結(jié)果導(dǎo)致每次傳輸能耗較大。因此，本文首次定義了覆蓋保持的數(shù)據(jù)收集問(wèn)題，即在保證覆蓋的前提下構(gòu)造能量最優(yōu)的數(shù)據(jù)收集樹(shù)。該問(wèn)題可以轉(zhuǎn)換為整型線性規(guī)劃，本文提出了一個(gè)啟發(fā)式算法CPDG(Coverage-Preserving Data，Gathering)來(lái)解決該問(wèn)題。仿真實(shí)驗(yàn)表明，CPDG算法能大大提高已有網(wǎng)絡(luò)的性能，如與PEDAP算法相比，可以節(jié)省30％的能耗。為進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)生命期，我們又提出了能量平衡的算法BCPDG(B

4、alanced Coverage-Preserving Data Gathering)，其特點(diǎn)是當(dāng)收集樹(shù)上的部分節(jié)點(diǎn)能量即將耗盡時(shí)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)剩余能量重新構(gòu)造覆蓋收集樹(shù)，以達(dá)到平衡節(jié)點(diǎn)間的能量消耗、擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)生命期的目的。 在面向數(shù)據(jù)收集的節(jié)點(diǎn)放置問(wèn)題中，m個(gè)數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)和基站都固定地分布在給定的區(qū)域中，如何通過(guò)放置n個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)來(lái)節(jié)省網(wǎng)絡(luò)的能量消耗。本文首先針對(duì)線性網(wǎng)絡(luò)模型提出了能量有效的節(jié)點(diǎn)配置算法；為了能有效地應(yīng)用于二維平面模

5、型，我們提出了基于矢量的中繼節(jié)點(diǎn)放置算法。該算法在數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)位置和中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)確定的情況下，通過(guò)新穎的向量切割法計(jì)算中繼節(jié)點(diǎn)的放置位置。模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在源節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)數(shù)之比為1：2時(shí)，該算法得到的網(wǎng)絡(luò)能耗比常規(guī)配置算法節(jié)省50％左右，該模式已在我們實(shí)現(xiàn)的火災(zāi)預(yù)警原型系統(tǒng)中得到應(yīng)用。因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，基于成本的原因，節(jié)點(diǎn)數(shù)的規(guī)模總是受限的，因此該算法對(duì)構(gòu)建低成本的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)具有重要的意義。由于很多應(yīng)用，如緊急救援、火災(zāi)監(jiān)

6、測(cè)等，要求節(jié)點(diǎn)能在較短的時(shí)間內(nèi)將數(shù)據(jù)報(bào)告給用戶，因此需要研究能耗與延遲折衷的數(shù)據(jù)收集算法。我們?cè)诳紤]路徑傳輸干擾的基礎(chǔ)上，提出了延遲能量有效的自組織數(shù)據(jù)收集SODG(Self-Organization Data Gathering)算法。它的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)收集樹(shù)的構(gòu)造只依賴于節(jié)點(diǎn)一跳鄰居的信息，因此是一個(gè)只依賴局部信息的分布式算法。為了減少延遲，SODG允許多條路徑并發(fā)傳輸，如何避免并發(fā)傳輸時(shí)的干擾是設(shè)計(jì)算法的一個(gè)難點(diǎn)。我們首先利用局部信息

7、來(lái)構(gòu)造Gabriel圖，然后根據(jù)Gabriel圖來(lái)構(gòu)造數(shù)據(jù)收集樹(shù)。在Gabriel圖上傳輸數(shù)據(jù)避免了長(zhǎng)距離通信，節(jié)省能量；同時(shí)，節(jié)點(diǎn)的并發(fā)傳輸則減少了數(shù)據(jù)收集收集的延遲。實(shí)驗(yàn)?zāi)M表明我們的協(xié)議是能量與延遲有效的，與著名的PEGASIS算法相比，SODG算法節(jié)約了64％的能耗；與基于鏈的協(xié)議相比，SODG減少了80％的延遲開(kāi)銷(xiāo)。 基于對(duì)數(shù)據(jù)收集問(wèn)題的研究，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用的需求，我們開(kāi)發(fā)了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)火災(zāi)監(jiān)測(cè)原型系統(tǒng)。本文詳細(xì)介紹了

8、系統(tǒng)的功能模塊及其在協(xié)議棧各層上的節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)，目前該系統(tǒng)正處于實(shí)地調(diào)試階段。 本文的主要貢獻(xiàn)和創(chuàng)新點(diǎn)如下： 首次提出了覆蓋保持的數(shù)據(jù)收集模式，研究了活動(dòng)節(jié)點(diǎn)密度與節(jié)點(diǎn)傳輸距離間的折衷優(yōu)化問(wèn)題，獲得了低能耗的數(shù)據(jù)收集協(xié)議CPDG和BCPDG； 針對(duì)數(shù)據(jù)收集的節(jié)點(diǎn)布置問(wèn)題，本文提出了新穎的基于向量分割的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)中繼節(jié)點(diǎn)的布置，實(shí)驗(yàn)表明了該算法的高效性； 為解決實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)了局部化的分布式算法