移動(dòng)sink能量受限的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集算法研究及應(yīng)用.pdf

1、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs，Wireless Sensor Networks)是一種具有廣泛用途的網(wǎng)絡(luò)。在傳統(tǒng)的WSNs中，節(jié)點(diǎn)通常是固定不變的，這時(shí)基站的周圍節(jié)點(diǎn)就需要承擔(dān)更多的通信負(fù)載，以致網(wǎng)絡(luò)能量很快耗盡，出現(xiàn)“能量空洞”現(xiàn)象。近年來(lái)，研究人員通過(guò)在WSNs中引入移動(dòng)節(jié)點(diǎn)來(lái)緩解這一問(wèn)題，即采用移動(dòng)節(jié)點(diǎn)作為匯聚結(jié)點(diǎn)(Sink)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，其中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可以是移動(dòng)礦車、橋上行駛的汽車和水下自主航行器等設(shè)備。然而，在真實(shí)的場(chǎng)景中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)

2、在空間和容量上有著一定限制約束。在受限條件下，如何設(shè)計(jì)更好的網(wǎng)絡(luò)以實(shí)現(xiàn)資源的共享與優(yōu)化是當(dāng)前面臨的一個(gè)難題，也是亟待解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，且它具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。本文針對(duì)WSNs在氣象特定場(chǎng)景下的數(shù)據(jù)采集開展了一系列研究，提出了一系列優(yōu)化方法來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)的能量效率，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存期。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴針對(duì)道路兩邊采集氣象要素的場(chǎng)景，提出了一種間隔多跳路由算法。在道路兩邊采集氣象要素場(chǎng)景下，WSNs節(jié)點(diǎn)隨機(jī)撒播于道路兩側(cè)，

3、基站位于道路的起點(diǎn)，WSNs區(qū)域?yàn)殚L(zhǎng)帶狀，“能量空洞”問(wèn)題尤其突出。對(duì)此，本文基于LEACH協(xié)議設(shè)計(jì)了LEACH-IMH（LEACH-Interval Multi-Hop）協(xié)議。首先，在簇首選舉判據(jù)上增加最優(yōu)簇首數(shù)、節(jié)點(diǎn)剩余能量、與基站通信距離等優(yōu)化簇首選舉算法。其次，數(shù)據(jù)傳輸采用間隔多跳方式降低基站周圍簇首的能量消耗。實(shí)驗(yàn)表明LEACH-IMH具有更長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。⑵提出了一種Sink移動(dòng)距離受限的混合整數(shù)線性規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)模型。移動(dòng)Si

4、nk可以更好地解決“能量空洞”問(wèn)題，但在實(shí)際應(yīng)用中，Sink的能量并不是無(wú)窮的。特別是Sink移動(dòng)距離受限的情況下，其移動(dòng)路徑及在各節(jié)點(diǎn)的停留時(shí)間決定整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。本文將節(jié)點(diǎn)能量、Sink移動(dòng)距離上限、通信損耗等網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題形式化建模為線性規(guī)劃模型，進(jìn)而通過(guò)求解該模型來(lái)決定Sink最優(yōu)的移動(dòng)路徑。實(shí)驗(yàn)表明:該模型可以應(yīng)用于中小型WSNs，運(yùn)行時(shí)間在可以接受的范圍內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增大時(shí)運(yùn)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。⑶為了提高大型WSNs的網(wǎng)絡(luò)資源配置效率，

5、提出了一種分布式離散化的最優(yōu)Sink移動(dòng)路徑求取方法。上述混合整數(shù)線性規(guī)劃模型對(duì)于大型WSNs來(lái)說(shuō)需要更長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間。針對(duì)這一問(wèn)題，本文提出了一種分布式離散化的優(yōu)化策略。首先，各節(jié)點(diǎn)無(wú)需全局采集路由信息，通過(guò)綜合考慮鄰居數(shù)、與Sink之間的距離等因素分布式采集數(shù)據(jù)。其次，構(gòu)造全新的轉(zhuǎn)換矩陣，將移動(dòng)距離約束下最長(zhǎng)停留時(shí)間問(wèn)題轉(zhuǎn)化為約束條件下最短路徑的求解問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)表明，針對(duì)大型WSNs資源配置任務(wù)，該方法在獲得與混合整數(shù)線性規(guī)劃算法可匹配