非可靠無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)壽命的數(shù)據(jù)匯集方法.pdf

1、隨著無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN，Wireless Sensor Network)技術(shù)的進(jìn)步，WSN被應(yīng)用于越來(lái)越多的領(lǐng)域，其主要功能是數(shù)據(jù)匯集。顯然，只有當(dāng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)處于有效的工作狀態(tài)，才能進(jìn)行數(shù)據(jù)匯集。一旦網(wǎng)絡(luò)失效，它就無(wú)法為用戶提供有效的服務(wù)。因此，延長(zhǎng)WSN的壽命是WSN研究領(lǐng)域的重要問(wèn)題之一。WSN的鏈路不穩(wěn)定，容易丟包，而且數(shù)據(jù)包丟失導(dǎo)致發(fā)送方重傳，這會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能耗增大，網(wǎng)絡(luò)壽命縮短。此外，WSN數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延與網(wǎng)絡(luò)壽命往往有著

2、相互制約的關(guān)系。實(shí)時(shí)的WSN應(yīng)用，例如火災(zāi)檢測(cè)、易燃物監(jiān)測(cè)或核泄漏監(jiān)測(cè)等，用戶往往要求在時(shí)延約束下獲得數(shù)據(jù)。因此，如何協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)壽命和數(shù)據(jù)延時(shí)這二者之間的關(guān)系成為在實(shí)時(shí)性要求下延長(zhǎng)WSN壽命的研究領(lǐng)域的難點(diǎn)。
　　 本文致力于研究同時(shí)達(dá)到以下兩個(gè)目標(biāo)且適用于WSN的數(shù)據(jù)匯集方案：(1)WSN中的匯聚節(jié)點(diǎn)在非可靠的環(huán)境下和給定的時(shí)間限制條件下收集到盡可能多的數(shù)據(jù)；(2)有效地實(shí)現(xiàn)節(jié)能從而延長(zhǎng)WSN壽命。所采用的主要研究方法為：構(gòu)建數(shù)

3、據(jù)匯集樹(shù)來(lái)收集數(shù)據(jù)，并且在時(shí)延約束下降低節(jié)點(diǎn)的重傳能耗、均衡節(jié)點(diǎn)間的能量消耗來(lái)優(yōu)化在采用所構(gòu)建的數(shù)據(jù)匯集樹(shù)時(shí)WSN的網(wǎng)絡(luò)壽命。本文的主要工作和創(chuàng)新之處如下：
　　 1.針對(duì)WSN鏈路不穩(wěn)定的特點(diǎn)，在數(shù)據(jù)收集中采用期望傳輸次數(shù)(ETX，ExpectedTransmission Count)來(lái)衡量節(jié)點(diǎn)間的傳輸能耗，針對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性和網(wǎng)絡(luò)壽命的要求，提出了計(jì)算數(shù)據(jù)包延時(shí)的方法，結(jié)合節(jié)點(diǎn)的剩余能量形成了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)壽命優(yōu)化問(wèn)題LOP(Life

4、time Optimization Problem)，以實(shí)現(xiàn)在延時(shí)約束下結(jié)合鏈路質(zhì)量和節(jié)點(diǎn)的剩余能量最大化網(wǎng)絡(luò)壽命。
　　 2.針對(duì)上述LOP，提出了一種基于樹(shù)的能量和時(shí)延感知方案TEDAS(Tree-basedEnergy and Delay Aware Scheme)，該方案所構(gòu)建的數(shù)據(jù)匯集樹(shù)既能最大化WSN的壽命又能保證其傳輸延遲。TEDAS在以ETX為權(quán)值的最小生成樹(shù)MEST(Minimum ETX SpanningTr

5、ee)的基礎(chǔ)上，在延時(shí)約束條件下，不斷對(duì)瓶頸節(jié)點(diǎn)的壽命進(jìn)行優(yōu)化，從而在保證延時(shí)的前提下延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的壽命。
　　 3.為了克服TEDAS可能陷入局部最優(yōu)、無(wú)法達(dá)到全局最優(yōu)這一缺點(diǎn)，對(duì)TEDAS算法進(jìn)行改進(jìn)：在TEDAS的基礎(chǔ)上采用遺傳算法來(lái)優(yōu)化數(shù)據(jù)匯集樹(shù)的壽命，提出了基于遺傳算法的能量和時(shí)延感知方案的數(shù)據(jù)匯集方案GEDAS(Genetic algorithm-based Energy andDelay Aware Scheme)

6、，具體說(shuō)明了遺傳算法中染色體的編碼方式以及對(duì)染色體進(jìn)行的選擇、交叉和變異操作，并提出在遺傳算法中利用免疫機(jī)制來(lái)保證達(dá)到時(shí)延約束的方法，使上述LOP達(dá)到全局最優(yōu)。
　　 4.在研究構(gòu)建數(shù)據(jù)收集樹(shù)的過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)匯集樹(shù)的路由環(huán)路問(wèn)題不可避免，而且它是造成網(wǎng)絡(luò)壽命縮短的主要原因之一。因此，本文提出了利用Bloom Filter來(lái)解決WSN路由環(huán)路問(wèn)題。
　　 5.對(duì)本文所提出的TEDAS和GEDAS兩種數(shù)據(jù)收集方案分別在