无线传感器网络中的数据收集问题研究

论文摘要

数据收集是无线传感器网络的主要应用之一。在大型的传感器网络中，大量的传感器节点组成多跳的无线Ad hoc网络，传感器节点采集本地感应数据，并将处理结果传送给基站，基站再转发给外界用户。系统生命期是无线传感器网络最重要的设计因素之一，而传感器节点的电池能量直接决定着系统生命期。本文研究影响数据收集问题系统生命期的三个关键部分：数据收集协议、传感器节点的布置及传感器节点的调度，提出了相应的解决方案。现有研究都是针对平面模型的无线传感器网络，但是很多应用场合具有线性模型的特征。因此，本文针对平面模型和线性模型，分别提出了无线传感器网络数据收集问题的解决方案。 数据收集协议是网络层协议，研究传感器节点如何将数据传送给基站。传感器节点在侦听时需要消耗大量的能量，所以减少侦听节点数可以减少系统的能量消耗，从而延长系统生命期。现有协议主要是构造一个骨干网，传感器节点仅通过骨干网就可以向基站传送数据，通过构造最小骨干网使得侦听节点数最少。然而现有协议构造的骨干网中节点能量可能过小，这会产生盲点降低系统生命期，并且节点通过骨干网传送数据的路径可能过长，这会增大传送数据的能量消耗。本文综合考虑骨干网的大小、节点能量及路径，提出了一种基于广度优先搜索的数据收集树算法，并采用局部式方法进行维护。仿真实验表明该算法的系统生命期比现有算法提高了15％左右，延迟减短了23％左右。对于线性模型，本文提出了一种基于线性路径的骨干网算法，仿真实验表明该算法的系统生命期比平面模型的算法提高了12％左右。 传感器节点的合理布置可以有效延长系统生命期。由于无线传感器网络是多跳传输的，各区域的数据流密度是不一致的。距离基站越近的区域，需要转发的数据越多，数据流密度越大，能量消耗越快。现有方案都采用均匀布置传感器节点，这样会导致基站附近的传感器节点很快消耗完能量而失效，网络变得不连通从而降低系统生命期。本文通过研究各区域的能量消耗速度，提出了布置传感器节点的密度公式，使得各区域的整体能量与此区域的能量消耗速度之比保持一致，这样传感器节点趋向于同时消耗完能量，从而延长系统生命期。对于平面模型，本文提出了密度公式ρ（r）=3n[（R2-r2）／r+c]／[πR2（4R+3c）]，其中ρ（r）为距离基站

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 无线传感器网络的背景知识
• 1.2 数据收集问题的背景知识
• 1.2.1 概念
• 1.2.2 应用领域
• 1.2.3 涉及范围
• 1.2.4 国内外研究现状
• 1.3 本文的主要工作及安排
• 第二章 设计因素和基本模型
• 2.1 设计因素
• 2.1.1 容错性
• 2.1.2 扩展性
• 2.1.3 费用
• 2.1.4 硬件限制
• 2.1.5 网络拓扑
• 2.1.6 环境
• 2.1.7 传输介质
• 2.1.8 能量消耗
• 2.2 基本模型
• 第三章 数据收集协议
• 3.1 介绍
• 3.2 相关工作
• 3.3 BFS算法
• 3.3.1 算法描述
• 3.3.2 集合覆盖问题
• 3.3.3 权值的选择
• 3.3.4 复杂度分析
• 3.3.5 优化
• 3.4 LM算法
• 3.4.1 算法描述
• 3.4.2 选择准则
• 3.4.3 稳定性
• 3.4.4 权值的选择
• 3.5 LMBFS算法
• 3.5.1 BFS和LM的比较
• 3.5.2 算法描述
• 3.6 LPB算法
• 3.6.1 线性模型的特点
• 3.6.2 骨干网的构造
• 3.6.3 骨干网的维护
• 3.6.4 性能分析
• 3.6.5 其它问题
• 3.7 仿真实验
• 3.7.1 实验平台
• 3.7.2 确定权值
• 3.7.3 实验结果
• 3.8 本章小结
• 第四章 传感器节点的布置
• 4.1 介绍
• 4.2 平面模型
• 4.2.1 假设条件
• 4.2.2 密度公式
• 4.2.3 性能分析
• 4.3 线性模型
• 4.3.1 假设条件
• 4.3.2 密度公式
• 4.3.3 性能分析
• 4.4 仿真实验
• 4.4.1 实验平台
• 4.4.2 确定密度
• 4.4.3 实验结果
• 4.5 本章小结
• 第五章 传感器节点的调度
• 5.1 介绍
• 5.2 相关工作
• 5.3 LVD算法
• 5.3.1 冗余节点判断规则
• 5.3.2 算法实现
• 5.3.3 复杂度分析
• 5.3.4 性能分析
• 5.4 SB算法
• 5.5 线性模型
• 5.6 仿真实验
• 5.7 本章小结
• 第六章 设计与仿真实验
• 6.1 理论分析
• 6.2 设计
• 6.3 仿真实验
• 第七章 结论
• 7.1 本文研究工作的主要成果
• 7.2 进一步研究工作
• 参考文献
• 致谢
• 攻博期间发表的论文和参加的科研项目