基于环境建模的传感数据收集与插值算法研究

论文摘要

无线传感器网络中,现有数据收集方式多采用静态Sink的方案,易造成Sink周围的节点负载过重而过早死亡,导致网络分割,形成监测盲区；另一方面由于传感器节点的随机部署,易形成不能获取信息的监测盲区,而且传感器节点资源有限等自身特点也容易导致节点采集的感知数据缺失,监测盲区与感知数据缺失问题给传感器网络各种应用带来了巨大困难。因此,如何均衡网内节点能耗,提高网络生存时间以及对监测盲区、缺失数据进行准确估计,成为无线传感器网络中亟待解决的问题。本文对传感器数据所处的时空特性进行环境建模,主要对传感数据收集与插值算法展开研究,主要工作如下：一、研究传感器网络中基于移动Sink可控轨迹的数据收集路径规划问题。针对静态Sink数据收集方法易导致网络热区问题,建立了移动Sink可控轨迹下的数据收集模型,提出了一种基于移动Sink最优穿越路径数据收集算法,算法以系统数据收集量最大化与网络节点能耗均衡为目标。基于OMNET++仿真实验表明,算法能最大化网络吞吐量,均衡网络能耗,延长网络生存时间,在能耗利用率方面远优于固定Sink数据采集方法。二、研究传感器网络中监测盲区与缺失感知数据估计问题。传感数据具有较高的时空相关性,针对单个节点的感知数据缺失问题,建立了传感数据时间序列模型,提出了一种基于传感数据时间序列模型拟合预测算法；针对监测盲区的环境信息不可获取,建立了空间相关性模型,提出一种基于空间相关性的自适应盲区评价算法；最后结合传感数据时空相关性,提出一种基于时空相关性的自适应插值算法。算法通过预置误差阀值自适应选择不同相关度邻域节点的采样值对预测点进行插值估计。理论分析和仿真实验表明,算法能有效估计监测盲区预测点的数据与缺失感知数据,具有可靠、稳定的估计性能,并可支持网内任意点的实时估计算法。三、结合以上研究工作,设计和实现了基于OMNET++仿真平台的插值仿真系统ISSWSN,评价所提出的算法的性能。ISSWSN主要针对传感器网络监测盲区与缺失感知数据进行插值预测,搭建从网络层至应用层协议栈,各层之间提供通用接口,具有易用性与可扩展性。模拟实验结果表明,ISSWSN为本文所提出的插值算法研究提供了有效的评估手段。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 本文研究背景及意义
• 1.2 研究内容
• 1.3 本文主要工作
• 1.4 本文结构
• 第2章 相关研究综述
• 2.1 前言
• 2.2 无线传感器网络概述
• 2.2.1 无线传感器网络体系结构
• 2.2.2 无线传感器网络的特点
• 2.2.3 无线传感器网络的应用
• 2.2.4 无线传感器网络的空洞问题
• 2.3 移动SINK研究现状
• 2.3.1 移动Sink轨迹固定
• 2.3.2 移动Sink轨迹可控
• 2.4 监测盲区与缺失数据研究现状
• 2.4.1 监测盲区
• 2.4.2 感知数据缺失问题
• 2.5 小结
• 第3章 无线传感器网络基于移动Sink的数据收集算法
• 3.1 前言
• 3.2 应用场景模型分析
• 3.2.1 能量与网络模型
• 3.2.2 数据量最大化
• 3.2.3 系统总能耗最小
• 3.2.4 Voronoi边权重模型
• 3.2.5 数据量最大化路径规划问题
• 3.3 基于移动SINK的数据收集算法
• 3.3.1 能量均衡最短路径树构建算法
• 3.3.2 最优穿越路径禁忌搜索算法
• 3.3.3 算法性能分析
• 3.4 仿真实验结果分析
• 3.4.1 实验环境与参数设置
• 3.4.2 数据量与能耗对比
• 3.4.3 节点能耗均衡与网络生存时间
• 3.5 小结
• 第4章 基于空间相关性的传感数据自适应插值算法
• 4.1 前言
• 4.2 相关研究
• 4.3 空间相关性模型
• 4.3.1 问题描述
• 4.3.2 相关性模型
• 4.3.3 网络模型
• 4.4 无线传感器网络基于空间相关性的自适应插值算法
• 4.4.1 强相关度邻域集搜索
• 4.4.2 邻域集节点权重模型
• 4.4.3 基于空间相关性的自适应插值算法
• 4.5 算法性能分析
• 4.5.1 算法复杂度分析
• 4.5.2 插值误差分析
• 4.6 仿真实验与结果分析
• 4.7 小结
• 第5章 基于传感数据时间序列模型拟合预测算法
• 5.1 引言
• 5.2 时间序列拟合模型
• 5.3 基于时间序列模型拟合的预测算法
• 5.3.1 时间序列模型拟合预测算法
• 5.3.2 基于时空相关性的自适应插值算法
• 5.3.3 算法性能分析
• 5.4 基于OMNET++仿真平台构建传感器网络插值仿真系统
• 5.4.1 仿真工具
• 5.4.2 时空相关性插值仿真系统构架
• 5.4.3 仿真系统各模块实现
• 5.5 仿真实验与结果分析
• 5.6 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读硕士期间发表的论文目录
• 附录B （攻读学位期间参加的科研项目）