无线传感器网络中基于喷泉码的分布式存储策略研究

论文摘要

无线传感器网络是一类典型的分布式存储系统。它作为一种以数据为中心的分布式自组织网络,其感知数据的存储和收集是极其重要的。而无线传感器网络往往部署在环境相对恶劣,条件受限的场景中,节点面临着不可预知的故障或失效,严重影响到网络监测数据的完整性和可用性。在无线传感器网络中,数据的存储方式直接影响着数据的持久性。因此,如何保证感知数据的可靠性和存储的有效性是一个非常值得研究的课题。目前,网络编码技术在无线传感器网络中的研究和应用越来越受到关注,它打破了通信网络中中间节点只是简单复制转发的传统信息处理方式。在无线传感器网络中,引入喷泉码的编码技术能够提高网络数据的持久性,但是,传统的分布式编码策略在解码的过程中可能出现严重的“陡壁效应”,即在没有收集到足够多的编码包时,只能够解出少量的源数据。而且网络中的节点很容易受到能耗及外界环境影响,尤其是在灾难场景下,集中在某区域的节点极易出现同时失效,这种情况严重降低了持久性数据的采集性能。本文针对上述无线传感器网络中数据存储的可靠性和收集效率低下的问题,主要做了如下的工作：(1)本文突破无线传感器网络在行为及数据分布上的同化特征,设计了一类具有优先级的编码度分布策略,提出了一种具有高效解码能力的分布式存储算法PLTCDS。该方案通过简单的汇聚节点广播激发信号,实现了一种编码“度”有序聚集的机制,尽量使待解数据的节点度分布呈现由低而高,以满足解码需求。实验表明,该算法能在不显著影响数据持久性的前提下,很好地克服了“陡壁效应”问题,提高了编码数据的收集和解码效率(2)本文考虑了在编码存储过程中避免节点的空存储问题,设计了一类简单的存储计数器机制,能够保证存储节点的有效存储,从而提高数据收集的效率。与原有的方案相比,该机制能够充分利用网络中存活的节点存储数据包。(3)针对实际网络场景,本文将PLTCDS算法扩展到了边缘收集的无线传感器网络场景中,设计了一种基于度优先分布的数据收集算法PLTCDS typeⅡ,该算法以中心节点广播激发的信号,按层级依次激发网络中各区域节点,构造度分布优先级框架,设计编码度生成方式,优化了编码数据的空间分配策略。通过实验仿真实现,PLTCDS typeⅡ在保持数据持久性的基础上提高了数据的收集效率和解码效率。在无线传感器网络中,尤其是在面向节点脆弱的恶劣或灾害场景下,研究提高其数据存储可靠性和数据解码回收效率的机制,对于提高感知数据的存活能力以及珍贵时效数据的效用,对促进无线传感器网络技术的发展具有重要的意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究背景及意义
• 1.3 主要研究内容
• 1.4 本文组织结构
• 第二章 相关技术概述
• 2.1 喷泉码概述
• 2.1.1 喷泉码简介
• 2.1.2 LT码编译码概述
• 2.2 无线传感器网络中基于网络编码的分布式存储国内外研究现状
• 2.2.1 无线传感器网络数据存储的特点
• 2.2.2 基于网络编码的数据存储研究现状
• 2.2.3 存在的问题和挑战
• 2.3 本章小结
• 第三章 基于度优先分布的网络编码数据收集机制PLTCDS
• 3.1 问题描述和网络模型
• 3.2 无线传感器中分布式存储问题分析
• 3.2.1 基于备份的存储
• 3.2.2 基于线性编码存储
• 3.2.3 基于LT码的存储
• 3.3 PLTCDS算法设计
• 3.3.1 PLTCDS算法
• 3.3.2 数据更新存储
• 3.3.3 PLTCDS算法分析
• 3.4 实验性能分析
• 3.4.1 无故障场景下的数据收集效率实验
• 3.4.2 节点脆弱场景下的数据恢复实验
• 3.4.3 不同网络密度下的恢复性能实验
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于度优先分布的数据收集机制PLTCDS TYPE Ⅱ
• 4.1 问题描述和网络模型
• 4.2 PLTCDS TYPE Ⅱ算法设计
• 4.2.1 PLTCDS TYPE Ⅱ算法
• 4.2.2 PLTCDS TYPE Ⅱ算法分析
• 4.3 实验性能分析
• 4.3.1 无故障场景下的数据收集效率实验
• 4.3.2 节点脆弱场景下的数据恢复实验
• 4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 论文总结
• 5.2 论文展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 详细摘要