三维无线传感器网络数据汇集问题的研究

论文摘要

无线传感器网络是近年来新兴的一种技术,具有成本低、易部署、低能耗、体积小等优势,被认为是将对未来产生重大影响并导致网络变革的关键技术之一。随着其应用由传统的平面部署逐步扩展到水下、空间等立体环境,以及研究的深入和实际应用需求的扩展,如何将无线传感器网络高效地应用到三维空间成为一个极具挑战性的问题。无线传感器网络中节点密集分布,使得相邻节点感知到的数据存在相关性。如果这些数据不加处理就直接传送给基站,将使得越靠近基站的数据冗余越大,从而造成传输阻塞、能耗增大等问题。数据汇集技术通过对来源于多个传感器节点的原始数据汇总后再进一步处理和转发,采用该方法消除上述问题,可有效减少网络中传输的数据量、降低能源消耗,从而延长网络的生命周期。但数据汇集技术中节点需要收集所有子节点的信息后才能进行汇集转发,在某些实时性的应用,特别是对端到端时延约束的应用中存在较大的困难。现有的数据汇集工作虽然已经取得了不错的成果,但是还不能很好的降低端到端的时延。本文以时延作为数据汇集的度量标准,通过不同的角度设计并解决数据汇集中的时延约束的问题。(1)设计基于分层的数据汇集算法。本文提出一种最小时延的数据汇集算法。该算法首先通过构造连通支配集来建立一棵数据汇集树,然后基于这棵汇集树提出一种新的调度策略,使得网络中所有节点可以无冲突地进行数据传输,从而解决现有工作存在的时延过大的问题。由于三维无线传感器网络应用的快速发展,本文将该算法扩展到三维空间。实验证明该算法比相关工作的性能好。(2)设计启发式的数据汇集算法。目前大部分的算法在汇集调度阶段是先调度叶子节点,再调度非叶子节点,这样策略会产生较大的时延。针对该问题,本文提出了一种启发式的算法来构建一种更优的调度策略。该策略可以同时调度叶子节点和非叶子节点,解决了现有工作存在的调度不合理的问题。同样地,本文也将算法扩展到三维空间。实验证明该算法的性能有很大的提高。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外的研究现状
• 1.3 论文的主要工作
• 1.4 论文的组织结构
• 第二章 无线传感器网络数据汇集问题综述
• 2.1 无线传感器网络的概念
• 2.2 无线传感器网络数据汇集技术
• 2.3 数据汇集问题的关键技术
• 2.4 小结
• 第三章 基于分层的数据汇集算法研究
• 3.1 引言
• 3.2 相关工作
• 3.3 问题描述
• 3.3.1 网络模型
• 3.3.2 干扰模型
• 3.3.3 相关术语
• 3.3.4 数据汇集调度问题定义
• 3.4 基于分层的数据汇集算法
• 3.5 算法性能分析
• 3.5.1 算法的正确性分析
• 3.5.2 复杂性分析
• 3.6 实验仿真及分析
• 3.6.1 二维环境下的实验结果
• 3.6.2 三维环境下的实验结果
• 3.7 小结
• 第四章 数据汇集问题的启发式算法研究
• 4.1 引言
• 4.2 启发式算法
• 4.2.1 构建数据汇集树
• 4.2.2 数据汇集调度
• 4.2.3 例子
• 4.3 实验仿真及分析
• 4.3.1 二维环境下的实验结果
• 4.3.2 三维环境下的实验结果
• 4.4 小结
• 结论和展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 在学期间研究成果及发表的学术论文