無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)冗余編碼及路由決策策略研究.pdf

1、隨著物聯(lián)網(wǎng)以及“互聯(lián)網(wǎng)+”的發(fā)展，作為物聯(lián)網(wǎng)與“互聯(lián)網(wǎng)+”感知神經(jīng)系統(tǒng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)必將達(dá)到一個(gè)空前的發(fā)展高度。在物聯(lián)網(wǎng)以及“互聯(lián)網(wǎng)+”的發(fā)展的同時(shí)，對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究也越來(lái)越迫切，尤其是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸可靠性問題。對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究與應(yīng)用，最核心的其實(shí)就是以最低的成本將有效的數(shù)據(jù)可靠地傳輸?shù)街付康牡?。然而，受制于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身的低處理能力，低功耗，低成本以及能量有限等特征因素的限制，這給無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)方

2、面的相關(guān)研究與方案設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)，尤其是在以最低的網(wǎng)絡(luò)資源成本下，如何有效地提高數(shù)據(jù)傳輸可靠性。
　　盡管針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的相關(guān)問題已經(jīng)存在大量的解決方案。然而，在所有現(xiàn)有的文獻(xiàn)中，沒有一個(gè)方法可以適用于所有的場(chǎng)景和應(yīng)用，仍然存在很多亟待解決的難點(diǎn)。例如：
　　1．針對(duì)易受干擾的無(wú)線信道來(lái)說(shuō)，缺乏一種能夠適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定量的快速準(zhǔn)確的低代價(jià)鏈路質(zhì)量估計(jì)方法。
　　2．針對(duì)無(wú)線信道數(shù)據(jù)傳輸可靠性方面，

3、需要一種能夠適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高魯棒性，低延遲低功耗，且能夠根據(jù)無(wú)線鏈路質(zhì)量自適應(yīng)地調(diào)整冗余量的冗余編碼方案。
　　3．路由協(xié)議是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中最為核心的關(guān)鍵問題之一，針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)特征的限制條件，需要一種能夠在保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性的前提下，適用于快速鏈路估計(jì)的能量有效可靠路由協(xié)議，以提高無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合性能。
　　針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)一些現(xiàn)有的亟待解決的問題，本文主要從鏈路質(zhì)量估計(jì)，冗余編碼以及能量有效的可靠性路由

4、三個(gè)方面進(jìn)行研究。論文主要的研究?jī)?nèi)容與創(chuàng)新點(diǎn)主要概括為：
　　(1)在硬件平臺(tái)開發(fā)的基礎(chǔ)上，對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能方面進(jìn)行大量的測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析與處理，并提出了基于Ornstein-Uhlenbeck模型的WSN鏈路質(zhì)量估計(jì)方法，該方法包括對(duì)基于物理量RSSI的無(wú)線鏈路質(zhì)量估計(jì)以及對(duì)直接評(píng)估信道質(zhì)量的包成功率PSR進(jìn)行基于Logistic生長(zhǎng)曲線函數(shù)關(guān)系的映射。通過仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，提出的方法有效地估計(jì)預(yù)測(cè)出無(wú)線信道的

5、鏈路質(zhì)量，這為后續(xù)的可靠性研究打下了基礎(chǔ)。
　　(2)針對(duì)數(shù)據(jù)傳輸可靠性方面，首先提出了一種基于Reed-Solomon冗余編碼的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可靠性策略。該方案將單位矩陣結(jié)合Vandermonde矩陣作為編碼矩陣，有效降低了算法的復(fù)雜度。在冗余數(shù)量方面，結(jié)合第一點(diǎn)的結(jié)果，可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)下一時(shí)刻的冗余量，充分利用了網(wǎng)絡(luò)的信道與能量資源。在有效提高信道數(shù)據(jù)魯棒性的同時(shí)，針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的突發(fā)干擾問題，提出一種錯(cuò)誤確認(rèn)機(jī)制，進(jìn)一

6、步提高了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的可靠性。最后，對(duì)提出的方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證，并有現(xiàn)有的一些方法進(jìn)行比較分析，結(jié)果顯示，提出的算法在數(shù)據(jù)可靠性方面具有明顯的提升。
　　(3)在信道編碼方面，除了上述基于PSR的可靠性數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制外，還提出了一種基于誤碼率的冗余剩余數(shù)系統(tǒng)(RRNS：Redundancy Resident Number System)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸可靠性機(jī)制。在該方法中，本文提出了一種新穎的解碼方法，有效降低了算法的復(fù)雜度。在

7、有效提高信道數(shù)據(jù)魯棒性的同時(shí)，針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的突發(fā)干擾問題，本文將該方法也與錯(cuò)誤確認(rèn)機(jī)制結(jié)合，使之在數(shù)據(jù)傳輸可靠性方面又有了一定的提升。同時(shí)，我們將提出的方法與現(xiàn)有的方法進(jìn)行仿真比較與分析，驗(yàn)證了該方法的效果與性能。
　　(4)在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可靠性問題上，為了更加快捷可靠且能量有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，本文提出了一種能量有效的期待傳輸數(shù)可靠性路由決策策略。該決策策略分別將兩個(gè)物理量RSSI與剩余節(jié)點(diǎn)能量作為決策因子，其中物理量RSSI用

8、于結(jié)合Ornstein-Uhlenbeck預(yù)測(cè)模型進(jìn)行鏈路質(zhì)量估計(jì)。該方法在提高網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可靠性與低延遲的同時(shí)，提高了網(wǎng)絡(luò)能量的有效性利用，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生存壽命。此外，為了驗(yàn)證該方法的效果，本文利用NS-2.35對(duì)提出的策略進(jìn)行仿真模擬，并與現(xiàn)有的協(xié)議進(jìn)行比較分析，驗(yàn)證了提出的方法的效果與性能。
　　本文重點(diǎn)關(guān)注無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸可靠性問題，分別從無(wú)線鏈路質(zhì)量估計(jì)，冗余編碼以及能量均衡可靠性路由三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)方面提出相應(yīng)的解決方案。