無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交換問題研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡是由具有感知能力、計算能力和無線通信能力的傳感器節(jié)點通過自組織方式構成的，它綜合了傳感器、嵌入式計算、無線通信和分布式信息處理等多種技術。作為一種“無處不在的計算”模式，其應用領域十分廣泛，包括軍事監(jiān)控，環(huán)境監(jiān)測，緊急救援，定位跟蹤等。 數(shù)據(jù)交換是無線傳感器網(wǎng)絡中最基本、最重要的數(shù)據(jù)操作之一。傳感器節(jié)點采集到本地感應到的數(shù)據(jù)以后，在信息中繼節(jié)點的幫助下，通過多跳路由將數(shù)據(jù)發(fā)送到其他的傳感器節(jié)點；與此同時，該節(jié)點又需

2、要獲取其他所有節(jié)點新采集到的數(shù)據(jù)。這是一種典型的All to All通訊模式，也稱之為數(shù)據(jù)交換。 在數(shù)據(jù)交換的研究過程中，我們主要關注于以下三點性能：首先，由于傳感器節(jié)點能量受限，因此能量有效在數(shù)據(jù)交換中的地位相當重要，它直接關系到各個傳感器節(jié)點的能量使用情況，進而影響到了整個傳感器網(wǎng)絡的使用生命期。其次，數(shù)據(jù)的延遲在許多數(shù)據(jù)交換的應用中是一個非常重要的指標，它囊括了在數(shù)據(jù)傳輸，路由和數(shù)據(jù)聚集操作中產(chǎn)生的延遲。最后，數(shù)據(jù)的可靠性

3、對于存在移動節(jié)點的數(shù)據(jù)交換過程顯得尤為重要，節(jié)點的移動性導致鏈路不穩(wěn)定，很多數(shù)據(jù)無法準確的到達目的地，因此確保數(shù)據(jù)的可靠性是數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)能否投入到實際應用的前提。 盡管已經(jīng)有不少的研究成果，但數(shù)據(jù)交換領域仍然有許多值得研究的內(nèi)容。在理論模型方面，更實用的數(shù)據(jù)交換模型需要被進一步發(fā)掘。在數(shù)據(jù)交換協(xié)議設計方面，目前協(xié)議在系統(tǒng)能耗和生命期方面仍有很大的提升空間，并且缺乏高效的分布式協(xié)議。在實際應用方面，應用的多樣性使得目前的數(shù)據(jù)交換協(xié)

4、議還遠遠不能滿足實際系統(tǒng)需求。無論是設計新的數(shù)據(jù)協(xié)議解決新問題，還是改進已有的協(xié)議使之更加高效，都需要更進一步的工作。 有鑒于此，本文研究內(nèi)容主要包括以下幾個方面： ·無線傳感器網(wǎng)絡一種使用改進星型樹的數(shù)據(jù)交換協(xié)議DEIST(Data Ex—change using Improved Star Trees)：已有的數(shù)據(jù)交換協(xié)議在能耗方面仍有所欠缺，因此我們考慮一種能量與延遲高效的數(shù)據(jù)交換協(xié)議以實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡中任意節(jié)點間的

5、數(shù)據(jù)交換策略。在本文中，我們通過理論分析和實驗模擬，確認網(wǎng)格劃分策略，從而將目標區(qū)域劃分成為四個相同的網(wǎng)格，每個傳感器節(jié)點根據(jù)本地的位置信息從而判斷自己屬于哪個網(wǎng)格。協(xié)議在每個網(wǎng)格中計算本地的頂點質(zhì)心作為本地數(shù)據(jù)中心節(jié)點，然后以該節(jié)點為樹根利用貪心算法構建改進星型樹。改進星型樹負責對本地網(wǎng)格內(nèi)部節(jié)點的信息進行收集封裝，然后通過網(wǎng)關節(jié)點，將局部信息打包發(fā)送給全局數(shù)據(jù)中心節(jié)點。最終，由全局數(shù)據(jù)中心節(jié)點將各網(wǎng)格的數(shù)據(jù)信息分發(fā)至其他網(wǎng)格。實驗結

6、果表明，與Multiple Chain協(xié)議相比，DEIST將系統(tǒng)生命期至少延長了一倍，并且降低了20％左右的網(wǎng)絡延遲。 ·無線傳感器網(wǎng)絡一種能量有效的分布式數(shù)據(jù)交換協(xié)議DDET(Distributed Data Exchange Tree)：在實際的系統(tǒng)中，如單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)，往往僅有部分節(jié)點而并非全部節(jié)點期望獲取數(shù)據(jù)，并且由于各節(jié)點的需求差異，其數(shù)據(jù)請求率也可能各不相同。因此我們提出了能量有效的分布式數(shù)據(jù)交換協(xié)議DDET，用于解決

7、面向傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)請求率不一致的數(shù)據(jù)交換問題。協(xié)議首先收集網(wǎng)絡中各傳感器節(jié)點的信息，對所有傳感器節(jié)點的本地數(shù)據(jù)請求率進行排序；其次，在每一輪中，選擇數(shù)據(jù)請求率最大的節(jié)點加入到生成樹中，使得網(wǎng)絡的總能耗最?。蛔罱K，利用虛擬減枝法來確定深度最小生成樹的樹根，以減少網(wǎng)絡能耗。實驗結果表明，與性能較好的DEIST相比，DDET至少將系統(tǒng)生命期延長了100％，并且節(jié)省了3％的系統(tǒng)總能耗。 ·基于無線傳感器網(wǎng)絡的智能導服系統(tǒng)：該智能導服系統(tǒng)

8、使用無線傳感器網(wǎng)絡技術及相關的硬件設備，適用于大型的展館、博物館、景區(qū)旅游等應用。本文詳細介紹了該系統(tǒng)的總體設計方案，對各系統(tǒng)模塊的功能進行了仔細說明。其中，數(shù)據(jù)交換模塊為智能導服系統(tǒng)提供了穩(wěn)定的路由傳輸機制，并支持多種形式的數(shù)據(jù)傳輸模式，如單播、廣播、信息交換(All to All)等，極大了擴展了系統(tǒng)的功能。我們已完成原型系統(tǒng)的建立，目前處于實地調(diào)試階段。 本文的主要貢獻和創(chuàng)新點如下： 1.在數(shù)據(jù)交換理論模型方面，提

9、出了面向傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)請求率不一致的數(shù)據(jù)交換模型，模型中存在兩類節(jié)點—傳感節(jié)點和中繼節(jié)點，且各傳感節(jié)點由于功能和需求的差異對數(shù)據(jù)的請求率并不相同。該模型具有更加廣泛的適應性與通用性。 2.針對面向全部節(jié)點數(shù)據(jù)請求率一致的數(shù)據(jù)交換問題，提出了基于改進星型樹的算法來實現(xiàn)鏈路的構造，獲得了低能耗、低延遲數(shù)據(jù)交換協(xié)議DEIST。 3.為解決面向傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)請求率不一致的數(shù)據(jù)交換問題，設計了局部化的分布式協(xié)議DDET，取得了不亞