面向无线传感器网络的数据汇聚研究与应用

论文摘要

微电子、计算机和无线通信等技术的进步,推动了低功耗多功能传感器的快速发展,使其在微小体积内能够集成信息采集、数据处理和无线通信等多种功能。这些微型传感器通过自组织方式就构成了无线传感器网络。无线传感器网络具有组网快捷、灵活等诸多优点,有很高的研究价值和十分广阔的应用前景,在军事、工农业生产、城市管理、医疗、环境监测和抢险救灾等许多领域都有重要的应用,现在已经引起了学术界和工业界的高度重视。无线传感器网络能量、计算能力、存储能力、通信能力受到严重的限制。研究表明数据传输消耗了总能量的70%,所以必须合理利用能量,努力延长无线传感器网络工作寿命。而原始监测数据中有大量冗余信息,通过数据汇聚来减少数据传输量是减少能耗最重要的技术之一。针对无线传感器网络能量和计算能力严重受限等问题,通过对数据汇聚技术的研究,本文提出了一种面向无线传感器网络的数据汇聚模型及实现方法。该数据汇聚模型适合大规模的无线传感器网络,利用传感器网络节点有限的计算能力对原始数据进行初步分类,从而减小网络通信量。在数据通信阶段,提出了基于区域最小生成树的汇聚路由协议(RMCS),RMCS协议使剩余能量多、传输能力强的节点作为区域树的根节点,负责与其它区域簇首或基站(sink)进行数据通信。RMCS协议可以平衡子节点的数量,使通信开销分布到整个网络来平衡网络的能量开销,延长网络生存周期。本文通过仿真实验对数据汇聚模型的性能进行了分析和评估,仿真结果表明:该数据汇聚模型可以很好地平衡网络负载,提高无线传感器网络的感知精度,延长网络生命周期。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 前言
• 1.1 课题研究目的与意义
• 1.2 课题研究现状
• 1.3 课题主要研究内容
• 2 面向无线传感器网络的数据汇聚概述
• 2.1 无线传感器网络数据汇聚的背景
• 2.1.1 基本概念
• 2.1.2 无线传感器网络协议栈
• 2.1.3 无线传感器网络的性能评价
• 2.1.4 无线传感器网络的特点
• 2.1.5 无线传感器网络的应用领域
• 2.2 数据汇聚的理论基础
• 2.2.1 无线传感器网络中的数据汇聚
• 2.2.2 数据汇聚的设计目标
• 2.2.3 数据汇聚的分类
• 2.2.4 基于数据挖掘的数据汇聚技术
• 2.2.5 数据汇聚协议的分类
• 2.3 传感器网络中现有数据汇聚协议的方法
• 2.3.1 平面路由协议
• 2.3.2 网络分层路由协议
• 2.3.3 典型路由协议的比较
• 2.4 本章小结
• 3 面向无线传感器网络的数据汇聚模型
• 3.1 数据汇聚模型的提出
• 3.2 传感器节点数据汇聚的实现
• 3.2.1 粗糙集与神经网络结合的理论基础
• 3.2.2 基于粗糙集与神经网络的传感器节点数据汇聚实现
• 3.2.3 粗糙集离散化算法
• 3.2.4 粗糙集属性约简算法
• 3.2.5 构造ART2神经网络
• 3.3 本章小结
• 4 基于区域最小生成树的数据汇聚路由
• 4.1 传感器网络的路由模型
• 4.2 基于反向组播树的数据汇聚路由算法
• 4.3 基于区域最小代价生成树的数据汇聚路由协议
• 4.3.1 RMCS的设计思想
• 4.3.2 网络模型及拓扑结构
• 4.3.3 RMCS的实现
• 4.3.4 协议分析
• 4.4 本章小结
• 5 仿真实验
• 5.1 仿真工具
• 5.1.1 NS2简介
• 5.2 NS2仿真模块设计
• 5.2.1 NS2仿真流程
• 5.2.2 仿真文件的组成
• 5.2.3 仿真环境的设置
• 5.2.4 性能评价
• 5.3 实验结果分析
• 5.4 本章小结
• 6 总结
• 致谢
• 参考文献
• 在校学习期间发表的论文