无线传感器网络分布式分簇和节能的数据收集协议研究

论文摘要

无线传感器网络作为一种新的信息获取方式和信息处理模式,通过大量部署在监测区域内的传感器节点,采集网络覆盖区域内感知对象的信息,采用多跳的无线通信方式,将收集、处理后的信息提供给终端用户。它将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界联系起来,改变了人类与自然界的交互方式,实现了物理世界、计算世界以及人类社会三种世界的连通。因此,数据收集是无线传感器网络最基本的应用,是各种复杂应用的基础。由于无线传感器网络直接从物理世界获取的数据是海量数据,数据与数据之间又存在高度的关联性,本文就此提出了一种基于分布式分簇的无线传感器网络混合型数据收集协议（Miscellaneous Data Gathering Protocol based on distributed clustering techniques in Wireless Sensor Networks）,简称为MDG协议。该协议具有高效、准确、健壮、节能的特点。通过分析现有典型的数据收集协议,发现无线传感器网络拓扑结构中的分层结构、特别是分簇结构非常适合于大规模、高密度随机部署的无线传感器网络的数据收集应用。分簇已被证实是更加适合于大规模的传感器网络和方便在数据收集中嵌入数据融合技术,这种结构对均衡负载、延长网络生命周期有显著的作用。本文首先提出了一种新的以邻居节点的平均剩余能量与节点本身的剩余能量的比值作为竞争簇头的主要参数,以节点的“度”作为节点竞争簇头的辅助参数的并行节能的分布式分簇算法BPEC。执行BPEC算法,整个网络的广播消息量复杂度为O（n）,整个网络的时间复杂度为O（1）。由BPEC算法产生的簇头集合被证明是一个最大独立集,簇头集合能覆盖网络的所有节点。当节点足够多时,仿真实验结果表明,簇头集合的尺寸大小与理论推导值十分接近。在保证用户对检测目标区域期望覆盖度的要求下,依照节点轮次休眠节能理论,推导出用于簇覆盖的最小簇内活动节点数k的值,并且实现了簇内（Intra-cluster）和簇间（Inter-cluster）节能的路由调度算法。确保了BPEC算法产生的簇头集合构造成连通支配集,并使用反向扩散法构建了用于数据收集的路由汇集生成树。为了解决数据收集中相邻簇间的传输信号干扰问题,提出一种基于分簇路由结构的全网统一TDMA时隙调度算法。将每轮的数据收集时间沿汇集树逐层向下进行时间分割,汇集树上的每个簇头节点都保存为自己分配的起始工作时刻和子树的控制时间两个数据。并保证在汇集树中,任何一个节点的控制时间大于等于其孩子的控制时间的总和;任何一个节点的起始工作时刻大于其孩子中的任何一个起始工作时刻,并且它的左孩子的起始工作时刻总是小于右孩子的起始工作时刻。TDMA时隙分配完毕后,由于各节点的起始工作时刻都不相同,节点就可以根据自己的TDMA起始工作时刻开始数据传输,而不会发生碰撞冲突。在无线传感器网络中使用双队列技术实现区分服务方案。兼顾一般数据收集融合处理和紧急数据即刻转发两种服务方式,提出了一种基于区分服务机制的无线传感器网络数据收集算法,满足了用户对突发事件的检测要求。仿真实验表明,MDG数据收集协议比LEACH、HEED协议有更长的网络寿命和更好的网络可扩充性。本文工作得到国家自然科学基金项目“一类复杂环境下的无线传感器网络定位算法研究”（No. 60673061）的资助。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景与课题意义
• 1.2 课题研究内容与论文的篇章结构
• 1.3 本论文的主要贡献
• 第2章 相关研究成果
• 2.1 无线传感器网络概述
• 2.1.1 无线传感器网络的体系结构
• 2.1.2 无线传感器网络的特点
• 2.1.3 无线传感器网络的应用与发展
• 2.2 无线传感器网络中分簇技术相关研究
• 2.2.1 分簇技术的优势
• 2.2.2 传感器网络分簇算法分类
• 2.3 基于分簇技术的典型数据收集协议分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 MDG 数据收集协议的系统模型和报文设计
• 3.1 设计基于分簇路由的数据收集协议MDG 应考虑的问题
• 3.2 MDG 系统模型
• 3.2.1 无线传感器节点能耗模型
• 3.2.2 传感器节点感知模型
• 3.2.3 无线传感器网络模型
• 3.2.4 传感器网络节点的数据结构
• 3.3 MDG 协议的报文设计
• 3.4 MDG 协议基本结构描述
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于簇头竞争机制的分布式分簇算法研究
• 4.1 存在的问题
• 4.2 一种基于簇头竞争机制的分布式分簇并行算法BPEC
• 4.3 BPEC 分布式分簇算法的相关性质与证明
• 4.4 仿真与结果
• 4.5 本章小结
• 第5章 MDG 协议中高效节能的网络拓扑控制算法研究
• 5.1 高效节能的簇内节点路由调度算法及理论分析
• 5.1.1 簇内覆盖的节点休眠机制及其理论分析
• 5.1.2 簇内k 个活动节点调度算法
• 5.2 基于TDMA 帧调度的簇间路由算法及理论分析
• 5.2.1 逐跳路由与直接路由节能效果分析
• 5.2.2 将BPEC 算法产生的簇头集合构造成连通支配集
• 5.2.3 基于反向扩散法的簇间路由汇集树构造算法
• 5.2.4 簇间和簇内TDMA 帧统一调度算法
• 5.3 本章小结
• 第6章 综合数据融合和区分服务机制的数据收集算法研究
• 6.1 在MDG 中使用网内数据融合技术
• 6.2 在MDG 中使用双队列方案实现区分服务机制
• 6.3 基于区分服务机制的数据收集算法及理论分析
• 6.4 MDG 数据收集协议的时序调度
• 6.5 仿真与结果
• 6.6 本章小结
• 结论
• 1.总结
• 2.展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录