基于移動數(shù)據(jù)收集的自組織無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸策略研究.pdf

1、近年來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSN)在很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在大多數(shù)應(yīng)用中，傳感器采用電池供電,因此節(jié)點的能量是WSN應(yīng)用的瓶頸。能效是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能的一個重要指標，典型問題就是能量空洞問題。也就是離匯聚點Sink較近的傳感節(jié)點由于需要承擔(dān)更多的通信負載而容易過早耗盡能量，導(dǎo)致能量空洞的出現(xiàn)，因此使得 WSN的生命周期過早結(jié)束。盡管研究人員提出了一些算法來盡可能地平衡網(wǎng)絡(luò)能量的消耗，但

2、能量空洞問題依然存在。
　　隨著相關(guān)研究的開展，部分研究人員在 WSN中引入移動節(jié)點來解決上述問題。移動節(jié)點作為數(shù)據(jù)收集器(Mobile Data Collector,簡稱MDC)，按照一定的路徑在網(wǎng)絡(luò)中收集通信范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，然后 MDC對數(shù)據(jù)進行處理，或者轉(zhuǎn)發(fā)給后臺管理中心，稱該網(wǎng)絡(luò)為WSN-MDC。在該網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，需要研究網(wǎng)絡(luò)的模型和拓撲結(jié)構(gòu)、節(jié)點的定位、節(jié)點的路由選擇、MDC的路徑規(guī)劃以及延時與能耗均衡的數(shù)據(jù)傳輸策略。

3、>　　本文以WSN-MDC作為研究對象，從網(wǎng)絡(luò)模型的設(shè)計階段、節(jié)點位置發(fā)現(xiàn)階段、路由發(fā)現(xiàn)階段到信息穩(wěn)定傳輸階段，針對不同的階段特點進行具體的分析，分別對網(wǎng)絡(luò)模型與結(jié)構(gòu)的設(shè)計、節(jié)點的定位、路由路徑的建立與更新、MDC路徑的規(guī)劃以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)人惴ㄟM行了研究，通過將各個階段的算法整合，提高了網(wǎng)絡(luò)的QoS和網(wǎng)絡(luò)生命周期。在研究過程中提出了以下創(chuàng)新點：
　　1.論文定義了一種雙頻段WSN-MDC網(wǎng)絡(luò)模型。以WSN-MDC作為研究對象，設(shè)計了

4、一種帶有移動數(shù)據(jù)收集器的雙頻段網(wǎng)絡(luò)模型(DBWSN-MDC)，研究了該網(wǎng)絡(luò)模型的體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)，分析了其覆蓋、連通性以及網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)；定義了傳感節(jié)點的功能，明確了選用的軟件協(xié)議和節(jié)點硬件的功能指標；在網(wǎng)絡(luò)中不設(shè)置錨點，傳感節(jié)點在指定區(qū)域內(nèi)隨機部署，節(jié)點無定位能力，初始狀態(tài)是一致的，當(dāng)節(jié)點發(fā)生信道沖突時采用MAC協(xié)議消除沖突。
　　2.提出了一種基于改進的人工蜂群算法的DV-Hop定位策略(DCABCDV-Hop)。首先，研

5、究了仿生智能計算理論，重點分析了人工蜂群算法，并在該原有算法的基礎(chǔ)上，引入反學(xué)習(xí)法構(gòu)造初始解集，提出了基于分治策略的人工蜂群算法(DCABC)，實驗結(jié)果表明該算法具有良好的加速收斂效果，提高了全局搜索能力與效率；然后，研究了DV-Hop定位算法，經(jīng)過推導(dǎo)該算法的定位公式，基于最大似然估計法得出了該定位算法的優(yōu)化函數(shù)；最后，將該優(yōu)化函數(shù)應(yīng)用到DCABC中，求得節(jié)點的最優(yōu)位置信息。模擬實驗的結(jié)果表明，DCABCDV-Hop算法能夠有效地提高

6、定位精度，取得了較為理想的效果。
　　3.基于第二章提出的網(wǎng)絡(luò)模型(DBWSN-MDC)，設(shè)計了一種基于移動數(shù)據(jù)收集的RSSI定位算法(RSSI-MDC)。DBWSN-MDC將網(wǎng)絡(luò)劃分為多個正方形網(wǎng)格區(qū)域，相鄰網(wǎng)格區(qū)域中的節(jié)點采用兩種頻段進行通信。RSSI-MDC執(zhí)行過程中，MDC設(shè)定了停留點，構(gòu)造了停留點集合，然后基于深度優(yōu)先策略設(shè)計了MDC遍歷停留點的移動路徑；在進行定位過程中，MDC從初始位置出發(fā)，沿著既定的路徑移動，當(dāng)?shù)竭_

7、停留點時，MDC與通信范圍內(nèi)的節(jié)點進行RSSI測距，直到所有駐留點遍歷完成為止。MDC得到這些數(shù)據(jù)之后，再根據(jù)三邊測量法和停留點的位置計算節(jié)點的位置坐標。通過模擬實驗，驗證了該算法具有較為理想的定位效果，適用于溫室無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實際需求。
　　4.基于第二章提出的網(wǎng)絡(luò)模型(DBWSN-MDC)，提出了一種雙層的移動數(shù)據(jù)收集策略DLDC。首先，MDC根據(jù)該網(wǎng)絡(luò)模型的節(jié)點規(guī)模和網(wǎng)格布局，基于最大覆蓋優(yōu)先策略設(shè)定了停留點，在此基礎(chǔ)上設(shè)

8、計了MDC收集路徑；然后，在每個網(wǎng)格內(nèi)部，根據(jù)停留點的位置選出了每個網(wǎng)格內(nèi)部的臨時匯聚點(Rendezvous Point,RP)，設(shè)計了多目標優(yōu)化路由算法，均衡了節(jié)點的剩余能量、與 RP的歐式距離、鏈路質(zhì)量等因素，設(shè)計了多目標優(yōu)化函數(shù)，并以此作為節(jié)點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的衡量標準；最后，MDC通過沿著預(yù)先設(shè)計的路徑對每個RP完成數(shù)據(jù)的收集工作。該策略在時延和能耗之間實現(xiàn)了二者兼顧，可為實時性要求相對較低的應(yīng)用(例如溫室無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用)提供理論

9、指導(dǎo)。
　　本文在設(shè)計了帶有移動數(shù)據(jù)收集器的雙頻段網(wǎng)絡(luò)模型基礎(chǔ)上，重點從節(jié)點定位、數(shù)據(jù)收集以及路由優(yōu)化方面研究了三種算法，這三種算法都有一個共同的目標就是降低網(wǎng)絡(luò)能耗，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。第一種節(jié)點定位算法是一種非測距的定位算法，具有較強的普適性，并且通過對原有算法的改進，提高了節(jié)點的定位精度；第二種定位算法是依托本文提出的帶有移動數(shù)據(jù)收集器的雙頻段網(wǎng)絡(luò)模型(DBWSN-MDC)，基于RSSI測距工具實現(xiàn)，其輸入是未被激活節(jié)點，輸出

10、是被激活并且知道通信范圍內(nèi)的節(jié)點坐標的集合；第三種算法是在第二種定位算法基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，輸入是已知網(wǎng)格內(nèi)節(jié)點坐標并被激活的節(jié)點，輸出是最終收集到MDC的信息集合。
　　綜上所述，本文針對WSN-MDC網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計了特定的網(wǎng)絡(luò)模型，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)母鱾€階段進行了深入的分析，從布網(wǎng)、定位、路由到收集數(shù)據(jù)，針對不同階段的特點，分別深入分析了降低能耗、延長網(wǎng)絡(luò)生命周期所面臨的困難，設(shè)計了不同的高效的算法，并能夠有機結(jié)合到整體，全面提升了WSN-M