無線傳感器網(wǎng)絡(luò)高效數(shù)據(jù)傳輸方法.pdf

1、隨著傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算以及無線通訊技術(shù)的發(fā)展，使得具有感知、計(jì)算和通信能力的微型化傳感器節(jié)點(diǎn)成為可能，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks, WSNs)就是由這些傳感器節(jié)點(diǎn)組成，它們一般部署在一個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域來協(xié)作地感知、收集和處理感知信息，通過自組織的方式相連，然后將處理后的信息通過多跳的方式傳輸?shù)交尽o線傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療健康、智能交通和軍事國(guó)防等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)為中

2、心的網(wǎng)絡(luò)，因此如何高效地傳輸感知數(shù)據(jù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要研究問題。一個(gè)簡(jiǎn)單的方法是讓所有的傳感器節(jié)點(diǎn)周期性地將數(shù)據(jù)傳輸給匯聚節(jié)點(diǎn)(Sink節(jié)點(diǎn))。然而這將給節(jié)點(diǎn)帶來嚴(yán)重的存儲(chǔ)和通信開銷，這與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所要求的高能效性要求不符，因?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)只有有限的電池能量，而數(shù)據(jù)的無線傳輸是能量消耗的主要部分，過多的無線傳輸將會(huì)快速耗盡節(jié)點(diǎn)的電池能量，從而引起節(jié)點(diǎn)失效。因此，如何在不危及網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)條件下盡可能地減少數(shù)據(jù)的傳輸是一

3、個(gè)重要的研究問題。針對(duì)此問題，本文從數(shù)據(jù)壓縮和擁塞控制兩方面考慮了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}，并提出了相應(yīng)的策略和算法。本文的主要研究成果包括如下幾個(gè)方面。
　　首先，本文提出了一個(gè)不連接的分段線性壓縮算法 GDPLA。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有有限的能量資源，為了減少感知數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳輸和處理的能量開銷，有必要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理。目前，盡管有許多數(shù)據(jù)壓縮方法可用來減少數(shù)據(jù)量，但由于它們的超線性時(shí)間或者非在線特性，使得它們很難

4、應(yīng)用于資源有限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。針對(duì)這些不足，本文提出了一個(gè)最優(yōu)的在線算法GDPLA，其用不連接的分段線段來近似描述時(shí)間序列，且保證每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的真實(shí)值與近似值之間的誤差的絕對(duì)值小于等于用戶給定的閾值ε，本文證明了在保證誤差界限ε的條件下，算法GDPLA用最少的線段條數(shù)來近似描述時(shí)間序列。而且證明了算法 GDPLA的時(shí)間復(fù)雜度是 O(n)且系數(shù)為6，其中n是時(shí)間序列的長(zhǎng)度。算法的低時(shí)間復(fù)雜性使得其適用于資源有限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。在兩個(gè)真實(shí)

5、數(shù)據(jù)集上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明了本文算法具有優(yōu)越的壓縮性能。
　　第二，本文提出了一個(gè)不連接的分段曲線壓縮算法3D-FSS(Three Dimensional-Feasible Solution Space)。據(jù)我們所知，3D-FSS是第一個(gè)用分段曲線來近似描述時(shí)間序列的算法且保證每個(gè)真實(shí)數(shù)據(jù)值與其對(duì)應(yīng)的曲線上的近似數(shù)據(jù)值之差的絕對(duì)值小于等于ε。算法3D-FSS的主要思想是將時(shí)間軸劃分成多個(gè)片段，每個(gè)片段用一個(gè)二次函數(shù)來近似描述且保證誤差

6、界限ε。算法的關(guān)鍵在于為每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)建立一個(gè)可行解空間(Feasible solution space, FSS)，這里可行解空間是由一組平行平面以及兩平面之間的區(qū)域組成。當(dāng)一個(gè)新的數(shù)據(jù)點(diǎn)Pj到達(dá)時(shí)，計(jì)算已經(jīng)到達(dá)但未被壓縮的數(shù)據(jù)點(diǎn)的FSS的交集和Pj的FSS的交集是否為空。若交集為空，則結(jié)束當(dāng)前的片段，且從當(dāng)前數(shù)據(jù)點(diǎn)開始新的一個(gè)片段。反之，若交集非空，則等待下一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)到達(dá)。這個(gè)過程一直重復(fù)直到整個(gè)時(shí)間序列被掃描完。本文證明了在保證誤差ε

7、的條件下，算法用最少個(gè)數(shù)的二次函數(shù)來近似描述時(shí)間序列，且僅需要線性的運(yùn)行時(shí)間，即O(n)。在真實(shí)數(shù)據(jù)集上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明3D-FSS的壓縮性能優(yōu)于 GDPLA的壓縮性能，但其運(yùn)行時(shí)間稍高于GDPLA的運(yùn)行時(shí)間。
　　第三，本文提出了一個(gè)保證加權(quán)公平性的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，擁塞不僅導(dǎo)致丟包，還會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)延遲，減少吞吐量。因此，如何減緩或消除擁塞以提高能效性和延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命時(shí)間是一個(gè)重要的研究問題。目前，已有許多針對(duì)此問題的

8、解決方案，但它們中大多數(shù)采用的是開環(huán)控制的方法，這種方法將導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定和低準(zhǔn)確度。針對(duì)上述不足，本文提出了一個(gè)分布式的保證加權(quán)公平性的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議WFCC。WFCC給每個(gè)節(jié)點(diǎn)賦予一個(gè)權(quán)值以反應(yīng)其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的重要性，使用包的平均服務(wù)時(shí)間與包的平均到達(dá)時(shí)間的比值作為擁塞度量?；诠?jié)點(diǎn)的權(quán)值和擁塞度量，WFCC將時(shí)間軸劃分成等長(zhǎng)的周期序列，且通過使用閉環(huán)控制的方法來周期性地調(diào)節(jié)進(jìn)入節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包總速率來減緩擁塞。此外，WFCC首次給出了加權(quán)

9、公平性的度量，且在理論上給出了其的一個(gè)下界1?(10c/9)2，這里0< c<0.2。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明WFCC的加權(quán)公平性平均達(dá)到了95％，優(yōu)于目前已存在的基于速率的擁塞控制協(xié)議的加權(quán)公平性。另外，與目前最好的基于速率控制的擁塞控制協(xié)議PCCP相比，WFCC的網(wǎng)絡(luò)吞吐量和加權(quán)公平性分別比PCCP高50%和19%。
　　第四，本文提出了一個(gè)基于單神經(jīng)元 PID控制的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議 SNCCP。SNCCP的主要思想是確保每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的緩沖

10、區(qū)隊(duì)列長(zhǎng)度維持在一個(gè)理想值附近，其主要是通過一個(gè)反饋控制的方法自適應(yīng)周期性地調(diào)節(jié)進(jìn)入節(jié)點(diǎn)的總速率來實(shí)現(xiàn)。SNCCP給出了一個(gè)加權(quán)公平性度量fM，并證明了fM=1?O(M?2)，這里 M是指第 M個(gè)周期。本文用由7個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來評(píng)估SNCCP，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SNCCP的加權(quán)公平性平均達(dá)到了99%，遠(yuǎn)高于其他的基于速率的擁塞控制協(xié)議。另外，與目前最好的基于速率控制的擁塞控制協(xié)議PCCP相比，SNCCP的網(wǎng)絡(luò)吞吐量和加權(quán)公平性分