无线传感器网络中的数据融合技术研究

论文摘要

无线传感器网络由大量集成了传感、数据处理以及通信功能的传感器节点组成,这些节点相互独立但而又能协同工作,采集监测区域的相关信息并对其进行处理,然后通过自组织的无线通信网络将信息传送给用户。出于成本方面的考虑以及应用环境的制约,每个节点的能量、数据处理与存储能力等资源都非常有限,因此如何有效的利用节点资源,提升数据采集的效率,是无线传感器网络需要研究的关键内容之一,数据融合正是基于此而被学者广泛研究的技术,本文研究的主要是基于路由的数据融合技术。本文首先分析了LEACH协议相对于其他路由协议的优点与特征,并指出其在簇头选择算法、簇头与汇聚节点的路径等方面的不足之处,然后围绕这些不足之处做出了改进,包括确定了理想状态下最佳簇头选择概率的计算方法;在LEACH协议的簇头节点选择机制上加入能量限制因素减小其随机性并均衡网络的能量消耗;在簇头节点与汇聚节点的通信中引入最短路径树来增大数据采集效率以及降低与汇聚节点过远的簇头节点的能耗。Matlab仿真表明,本文做出的上述改进有效的优化了网络的性能,平衡了节点的能耗,使网络的生存性得到加强。对于LEACH在分簇之后簇内的数据通信,本文采用了一阶的预测编码算法,让簇内成员节点只需要将实际观测值与预测值间的误差通过均匀量化编码后传送给簇头节点,这样使得成员节点的数据发送量大大减小,有效降低了数据通信消耗的能量,Matlab仿真表明该算法进一步优化了网络的性能。对于簇头收集到簇内成员节点的数据之后的融合,本文采用了D-S理论,并综合前人的思想对D-S理论在处理证据冲突方面的不足之处做出了基于加权相似度的改进,该方法通过对权值相对客观的选取,提高了融合的精度,同时降低了算法的复杂度。与其他几种D-S改进算法的对比仿真结果表明,本文对D-S的改进相对于其他方法具有一定的优势。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及其意义
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 无线传感器网络研究现状
• 1.2.2 数据融合研究现状
• 1.3 本文工作及论文结构
• 第二章 无线传感器网络概述
• 2.1 无线传感器网络的结构
• 2.1.1 无线传感器网络的基本组成
• 2.1.2 无线传感器网络的协议体系
• 2.2 无线传感器网络的特点
• 2.3 无线传感器网络的关键技术
• 2.3.1 路由协议
• 2.3.2 时间同步技术
• 2.3.3 网络安全
• 2.3.4 节点定位技术
• 2.4 无线传感器网络中的数据融合
• 2.4.1 数据融合的作用
• 2.4.2 数据融合在网络各层的实现
• 2.5 本章小结
• 第三章 LEACH 路由协议的分析与优化
• 3.1 无线传感器网络的典型路由协议
• 3.1.1 Flooding 与Gossiping
• 3.1.2 SPIN
• 3.1.3 Directed Diffusion
• 3.1.4 LEACH
• 3.1.5 PEGASIS
• 3.1.6 TEEN
• 3.1.7 各路由协议的比较
• 3.2 LEACH 协议分析
• 3.2.1 LEACH 的网络模型
• 3.2.2 LEACH 的工作流程
• 3.2.3 LEACH 的不足
• 3.3 LEACH 协议的改进
• 3.3.1 簇头选择概率的确定
• 3.3.2 簇头选择算法
• 3.3.3 簇头数据融合树的建立
• 3.4 仿真分析
• 3.4.1 仿真参数
• 3.4.2 算法仿真
• 3.5 本章小结
• 第四章 LEACH 簇内数据传输与融合算法
• 4.1 基于预测编码的簇内数据传输
• 4.1.1 无线传感器网络的数据形态
• 4.1.2 预测编码原理
• 4.1.3 基于预测编码的簇内数据传输
• 4.1.4 算法性能分析
• 4.2 基于D-S 理论的簇内数据融合
• 4.2.1 经典D-S 证据理论
• 4.2.2 证据理论冲突分析及一般的改进方法
• 4.2.3 基于加权相似度改进的D-S 理论
• 4.2.4 对比仿真
• 4.3 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 论文工作总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文