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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN).這種網(wǎng)絡(luò)在軍事和民用市場(chǎng)上都有廣泛的應(yīng)用前景,如目標(biāo)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(diǎn)組成,多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)協(xié)同操作來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶需要的任務(wù).在實(shí)際應(yīng)用中受環(huán)境約束,傳感器節(jié)點(diǎn)中電池不易于充電,從而能量效率是WSN設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮因素. 由于傳感器節(jié)點(diǎn)受限于能量約束,傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)如IEEE802.11和BlueTooth

2、(藍(lán)牙)不能直接應(yīng)用于WSN,因而出現(xiàn)多種改進(jìn)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(diǎn)主要能耗操作,本文致力于對(duì)WSN中Bandwidth Packing Problem(BWP)的研究.主要研究數(shù)據(jù)格式長(zhǎng)度設(shè)計(jì)和無(wú)損數(shù)據(jù)聚合算法,目的是提高數(shù)據(jù)通信效率,延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命期.論文的第一章簡(jiǎn)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(shí),第三章到第六章針對(duì)每個(gè)問(wèn)題做了詳細(xì)討論. 第三章分析了定長(zhǎng)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(kāi)銷(xiāo)來(lái)節(jié)省能量,把數(shù)據(jù)包格式設(shè)為定長(zhǎng).然而當(dāng)應(yīng)用信息長(zhǎng)度不固定時(shí),需要添加填充字符(Padding Bits)來(lái)格式化為定長(zhǎng)數(shù)據(jù).這些填充字符引起帶寬資源浪費(fèi),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(shí)(如溫、濕度數(shù)據(jù)),此時(shí)封裝在用戶信息前面的協(xié)議

4、頭開(kāi)銷(xiāo)將耗去大量的網(wǎng)絡(luò)資源,這也會(huì)減低網(wǎng)絡(luò)效率.基于此問(wèn)題,本文提出一類(lèi)物件大小受限的離散裝箱問(wèn)題(BPP).通過(guò)對(duì)此問(wèn)題NF;算法的研究,得到協(xié)議頭影響下定長(zhǎng)數(shù)據(jù)格式WSN中的平均性能.并在EYES節(jié)點(diǎn)仿真平臺(tái)上,討論了定長(zhǎng)數(shù)據(jù)格式WSN中協(xié)議頭長(zhǎng)度對(duì)能效性的影響.根據(jù)本章的研究結(jié)果,在定長(zhǎng)數(shù)據(jù)格式WSN設(shè)計(jì)時(shí),由協(xié)議頭長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)包長(zhǎng)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(zhǎng)數(shù)據(jù)格式WSN雖然可以減少

5、控制開(kāi)銷(xiāo),但用戶信息的可變性,使得每個(gè)數(shù)據(jù)包不能被用戶信息填滿,此時(shí)需加以填充字符,而收/發(fā)這些填充字符將會(huì)引起能量浪費(fèi).變長(zhǎng)數(shù)據(jù)格式雖然能夠充分利用帶寬資源,但每個(gè)數(shù)據(jù)包頭的長(zhǎng)度指示單元也引起額外的能耗開(kāi)銷(xiāo).這種開(kāi)銷(xiāo),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(zhǎng)機(jī)制-多幀結(jié)構(gòu)(此處以四幀結(jié)構(gòu)為例),來(lái)折衷變長(zhǎng)數(shù)據(jù)格式控制開(kāi)銷(xiāo)和定長(zhǎng)數(shù)據(jù)格式填充開(kāi)銷(xiāo).文中詳細(xì)討論了不同幀數(shù)目下最佳幀長(zhǎng)的定義.并在WSN仿

6、真平臺(tái)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(zhǎng)幀、定長(zhǎng)幀和改進(jìn)的幀)的能效性. 在前面兩章性能分析過(guò)程中,基于BPP中的NF算法來(lái)研究WSN網(wǎng)絡(luò)的性能.NF算法主要優(yōu)勢(shì)在于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,計(jì)算復(fù)雜度為O(n).但由參考文獻(xiàn)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(diǎn)

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(jī)制尤其適合于數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度較小的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,如短信息占主導(dǎo)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò).進(jìn)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(zhǎng)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(jì)了一種前向比較算法(B2F),用于簇群結(jié)構(gòu)中簇頭節(jié)點(diǎn)對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)損聚合.根

8、據(jù)數(shù)據(jù)聚合技術(shù),可以分為兩類(lèi):有損和無(wú)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(jī)制會(huì)丟棄一部分信息.當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞失敗時(shí),因信息丟棄會(huì)導(dǎo)致這種聚合效率下降.而無(wú)損聚合可以避免這種弊端.本文基于級(jí)聯(lián)無(wú)損聚合機(jī)制,提出B2F算法,在滿足低計(jì)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(tái)上進(jìn)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(yuǎn)好于FCFS算法. 本文研究的