無線傳感器網(wǎng)絡(luò)冗余編碼及路由決策策略研究.pdf

1、隨著物聯(lián)網(wǎng)以及“互聯(lián)網(wǎng)+”的發(fā)展，作為物聯(lián)網(wǎng)與“互聯(lián)網(wǎng)+”感知神經(jīng)系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)必將達到一個空前的發(fā)展高度。在物聯(lián)網(wǎng)以及“互聯(lián)網(wǎng)+”的發(fā)展的同時，對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究也越來越迫切，尤其是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸可靠性問題。對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究與應(yīng)用，最核心的其實就是以最低的成本將有效的數(shù)據(jù)可靠地傳輸?shù)街付康牡?。然而，受制于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身的低處理能力，低功耗，低成本以及能量有限等特征因素的限制，這給無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方

2、面的相關(guān)研究與方案設(shè)計帶來了極大的挑戰(zhàn)，尤其是在以最低的網(wǎng)絡(luò)資源成本下，如何有效地提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性。
　　盡管針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的相關(guān)問題已經(jīng)存在大量的解決方案。然而，在所有現(xiàn)有的文獻中，沒有一個方法可以適用于所有的場景和應(yīng)用，仍然存在很多亟待解決的難點。例如：
　　1．針對易受干擾的無線信道來說，缺乏一種能夠適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定量的快速準(zhǔn)確的低代價鏈路質(zhì)量估計方法。
　　2．針對無線信道數(shù)據(jù)傳輸可靠性方面，

3、需要一種能夠適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高魯棒性，低延遲低功耗，且能夠根據(jù)無線鏈路質(zhì)量自適應(yīng)地調(diào)整冗余量的冗余編碼方案。
　　3．路由協(xié)議是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中最為核心的關(guān)鍵問題之一，針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特征的限制條件，需要一種能夠在保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性的前提下，適用于快速鏈路估計的能量有效可靠路由協(xié)議，以提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合性能。
　　針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一些現(xiàn)有的亟待解決的問題，本文主要從鏈路質(zhì)量估計，冗余編碼以及能量有效的可靠性路由

4、三個方面進行研究。論文主要的研究內(nèi)容與創(chuàng)新點主要概括為：
　　(1)在硬件平臺開發(fā)的基礎(chǔ)上，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能方面進行大量的測試，并對測試結(jié)果進行了數(shù)據(jù)分析與處理，并提出了基于Ornstein-Uhlenbeck模型的WSN鏈路質(zhì)量估計方法，該方法包括對基于物理量RSSI的無線鏈路質(zhì)量估計以及對直接評估信道質(zhì)量的包成功率PSR進行基于Logistic生長曲線函數(shù)關(guān)系的映射。通過仿真與實驗驗證，提出的方法有效地估計預(yù)測出無線信道的

5、鏈路質(zhì)量，這為后續(xù)的可靠性研究打下了基礎(chǔ)。
　　(2)針對數(shù)據(jù)傳輸可靠性方面，首先提出了一種基于Reed-Solomon冗余編碼的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可靠性策略。該方案將單位矩陣結(jié)合Vandermonde矩陣作為編碼矩陣，有效降低了算法的復(fù)雜度。在冗余數(shù)量方面，結(jié)合第一點的結(jié)果，可以準(zhǔn)確地預(yù)測下一時刻的冗余量，充分利用了網(wǎng)絡(luò)的信道與能量資源。在有效提高信道數(shù)據(jù)魯棒性的同時，針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的突發(fā)干擾問題，提出一種錯誤確認機制，進一

6、步提高了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的可靠性。最后，對提出的方法進行仿真驗證，并有現(xiàn)有的一些方法進行比較分析，結(jié)果顯示，提出的算法在數(shù)據(jù)可靠性方面具有明顯的提升。
　　(3)在信道編碼方面，除了上述基于PSR的可靠性數(shù)據(jù)傳輸機制外，還提出了一種基于誤碼率的冗余剩余數(shù)系統(tǒng)(RRNS：Redundancy Resident Number System)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸可靠性機制。在該方法中，本文提出了一種新穎的解碼方法，有效降低了算法的復(fù)雜度。在

7、有效提高信道數(shù)據(jù)魯棒性的同時，針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的突發(fā)干擾問題，本文將該方法也與錯誤確認機制結(jié)合，使之在數(shù)據(jù)傳輸可靠性方面又有了一定的提升。同時，我們將提出的方法與現(xiàn)有的方法進行仿真比較與分析，驗證了該方法的效果與性能。
　　(4)在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可靠性問題上，為了更加快捷可靠且能量有效地進行數(shù)據(jù)交互，本文提出了一種能量有效的期待傳輸數(shù)可靠性路由決策策略。該決策策略分別將兩個物理量RSSI與剩余節(jié)點能量作為決策因子，其中物理量RSSI用

8、于結(jié)合Ornstein-Uhlenbeck預(yù)測模型進行鏈路質(zhì)量估計。該方法在提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可靠性與低延遲的同時，提高了網(wǎng)絡(luò)能量的有效性利用，延長了網(wǎng)絡(luò)生存壽命。此外，為了驗證該方法的效果，本文利用NS-2.35對提出的策略進行仿真模擬，并與現(xiàn)有的協(xié)議進行比較分析，驗證了提出的方法的效果與性能。
　　本文重點關(guān)注無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸可靠性問題，分別從無線鏈路質(zhì)量估計，冗余編碼以及能量均衡可靠性路由三個關(guān)鍵技術(shù)方面提出相應(yīng)的解決方案。