无线传感器网络的能量高效数据收集技术研究

论文摘要

无线传感器网络是延伸人类认识世界的一种全新的信息获取方式。它由可以被随机播撒或人工放置方式部署在监测区域内的大量微型无线传感器节点组成,这些无线节点之间通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络,协作地感知、计算处理和收集网络监测覆盖区域中感知目标的数据信息,并将其传递给网络中的汇聚节点和用户。因此,数据收集是无线传感器网络的基本功能,是无线传感器网络广泛应用的基础。无线传感器网络一般具有大规模、自组织、随机布置、环境复杂、节点资源有限、网络拓扑动态变化等特点,尤其是无线传感器节点一般采用电池供电,网络的能源有限。因此,研究高能效的数据收集协议,提高网络节点能量的有效利用率、延长网络寿命,成为无线传感器网络应用的热点问题。当前,国内外学者已经做了大量的工作来研究无线传感器网络的数据收集协议,但仍然存在许多未解决的问题。本文根据无线传感器网络的基本特征,在总结前人工作的基础上,深入分析和讨论了适用于无线传感器网络应用的高能效数据收集技术。本论文的主要内容和创新性研究成果分为以下四个方面:1.建立了一种适用于监测突发事件的一大类无线传感器网络应用的无线传感器网络模型,该模型中的所有网络节点均采用双信道的节点结构。结合监测突发事件的无线传感器网络应用特点,该模型定义了节点两个信道的工作模式。该模型采用节点在唤醒信道的周期同步侦听来确保网络局部的连通度,减少节点的空闲侦听能量消耗,为控制节点局部连通度的稳定和一致以及提高数据传递的可靠性和及时性提供基础。2.提出了一种基于地理位置信息的高能效数据收集协议REEGF（Geographic Forwarding Protocol with Reliable and Energy-Efficient）,该协议在原有的地理位置路由协议GeRaF（Geographic Random Forwarding）的基础上,结合无线传感器网络的MAC层协议S-MAC和启发式拓扑控制协议STEM,增加了拓扑控制的节能措施,修改了后选中继转发节点的选择方法,将路由、拓扑控制和MAC整合为单一的层,减少了节点的空闲能量消耗和通信控制开销,使得网络数据传递的报文递送率显著提高,多跳时延、能量消耗大大减少,节点的能量消耗更加均衡,从而延长了整个网络的生存时间。通过理论分析和仿真实验充分说明了REEGF协议的有效性。3.针对现有多跳无线传感器网络数据收集协议中继转发节点选择算法效率不高的问题,提出了一种高能效的中继节点快速选择算法（Energy efficientrelay node fast selection algorithm,EERNFS）。EERNFS算法利用分时共享信道的方法周期性地维护网络同步和更新节点的邻居信息来控制网络的拓扑,以确保网络瞬时连通度的稳定和一致;基于网络节点的位置信息和链路质量的分布式估计,EERNFS选择具有最大地理优先级和价值最大的候选中继节点作为中继转发节点,减少了数据传递的路由平均跳距,平衡了网络节点的平均能量消耗;采用乘性增加最高地理优先级或退避时间最小的节点所对应区域的时间窗口方法,EERNFS算法分解候选中继节点间的竞争问题,减少了数据传递的时间。理论分析和实验结果说明了本文的EERNFS算法在网络性能方面的优越性。4.提出了一种适宜大规模多跳无线传感器网络的高能效协作数据收集协议ESCDD （ Energy-efficient single-node-based cooperative data delivery, ESCDD）。ESCDD采用依赖局部信息的节点睡眠调度控制策略分布式控制节点的连通度,减少节点的空闲侦听;利用类似GeRaF的方法基于地理位置信息的贪婪机制,ESCDD选择中继转发节点,减少了数据传递的平均跳数;利用节点物理层的功率控制在每一跳选择单个协作节点,ESCDD执行协作数据传递,并以最大比合并方式恢复数据信息,不断执行这种协作传递来完成数据的多跳递送。因此,ESCDD通过采用单节点的协作机制,显著地提高了多跳无线传感器网络的数据报文递送率,减少了数据收集的多跳平均时延,降低了网络节点的平均能量消耗,且使网络节点的能量消耗更加均衡。仿真结果说明了ESCDD协议在网络性能上的提高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景和研究意义
• 1.2 无线传感器网络的特征
• 1.2.1 无线传感器网络的一般结构
• 1.2.2 无线传感器网络的节点
• 1.2.3 无线传感器网络的特点
• 1.2.4 无线传感器网络的广泛应用与发展
• 1.3 无线传感器网络的研究重点
• 1.3.1 无线传感器网络的协议栈及各层功能
• 1.3.2 介质访问控制协议
• 1.3.3 路由协议
• 1.3.4 拓扑控制技术
• 1.4 无线传感器网络的数据收集技术研究
• 1.4.1 无线传感器网络中的数据收集与路由
• 1.4.2 无线传感器网络中数据收集的应用模式
• 1.4.3 无线传感器网络中数据收集的传递模式
• 1.4.4 无线传感器网络中数据收集的典型路由协议
• 1.4.5 存在的主要问题
• 1.5 本文研究的主要内容
• 第二章 无线传感器网络中基于节点地理位置的数据收集协议
• 2.1 引言
• 2.2 相关研究
• 2.3 问题描述和双信道协作模型
• 2.3.1 网络模型
• 2.3.2 问题描述
• 2.3.3 节点的双信道协作模式
• 2.4 高能效的数据收集协议REEGF
• 2.4.1 REEGF协议概述
• 2.4.2 自同步算法DDCSS
• 2.4.3 协作睡眠调度算法WCoSS
• 2.4.4 基于节点位置的数据转发算法LDF
• 2.5 REEGF协议性能理论分析
• 2.5.1 平均每跳前进的距离
• 2.5.2 报文传递每跳的平均能量消耗和多跳的总平均能量消耗
• 2.5.3 基于能量消耗最小的REEGF协议参数数字优化
• 2.5.4 网络节点t时间内总的平均能量消耗Etot
• 2.5.5 GeRaF协议的性能
• 2.6 仿真评价
• 2.6.1 仿真参数设置
• 2.6.2 结果分析
• 2.7 本章总结
• 第三章 多跳无线传感器网络的高效中继节点选择算法
• 3.1 引言
• 3.2 相关研究
• 3.3 网络节点的节能机制
• 3.4 EERNFS算法
• 3.4.1 算法概述
• 3.4.2 RTS帧的发送节点
• 3.4.3 RTS帧的接收节点
• 3.5 EERNFS算法性能理论分析
• 3.6 仿真评价
• 3.6.1 仿真场景及参数设置
• 3.6.2 结果分析
• 3.7 本章总结
• 第四章 多跳无线传感器网络的协作数据收集协议
• 4.1 引言
• 4.2 相关研究
• 4.3 网络模型
• 4.4 基于拓扑控制的节能措施
• 4.5 ESCDD协议
• 4.5.1 ESCDD协议概述
• 4.5.2 转发节点选择
• 4.5.3 协作节点选择
• 4.5.4 数据传递和恢复
• 4.6 仿真评价
• 4.6.1 仿真场景及参数设置
• 4.6.2 结果分析
• 4.7 本章总结
• 第五章 总结和展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间完成的论文和参与的科研项目