2023年全國碩士研究生考試考研英語一試題真題(含答案詳解+作文范文)_第1頁
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文檔簡介

1、近年來,隨著微機(jī)電技術(shù)(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)的不斷發(fā)展,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network,WSN)在國際上備受關(guān)注并取得了廣泛應(yīng)用。典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常無基礎(chǔ)設(shè)施,并將大量的無線傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署于無人看管的惡劣環(huán)境中,用于采集各種數(shù)據(jù)。每個(gè)傳感器的傳感能力、處理能力和通信能力都是有限的。傳感單元可以測量傳感器感知到的周圍環(huán)境參數(shù)并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)

2、。在實(shí)際應(yīng)用中,為了降低開銷,往往需要設(shè)備至少生存幾年,因此我們面臨著一個(gè)挑戰(zhàn),因?yàn)椴渴鹪趷毫迎h(huán)境中的傳感器不能被充電或者更換電池。
  因此,如何有效使用傳感器的能量是延長網(wǎng)絡(luò)壽命的關(guān)鍵點(diǎn),因?yàn)楫?dāng)一個(gè)傳感器的能量耗盡時(shí)會(huì)與整個(gè)網(wǎng)絡(luò)斷開連接,進(jìn)而影響實(shí)際應(yīng)用的效果。
  把網(wǎng)絡(luò)中的傳感器分為互不重疊的部分,并通過每一部分的頭節(jié)點(diǎn)來向基站發(fā)送數(shù)據(jù)的方法被稱為分簇,分簇可以有效地節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能量、提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。
  分簇

3、技術(shù)可以有效降低能耗是因?yàn)槊總€(gè)簇頭可以控制簇內(nèi)活動(dòng)性,并與其他簇頭和基站進(jìn)行通信。分簇協(xié)議涉及兩個(gè)重要的方面,一個(gè)是簇頭的選擇,另一個(gè)是節(jié)點(diǎn)如何選擇其所歸屬的簇頭。由于簇頭可以控制該簇的活動(dòng)性,因此簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)大多數(shù)時(shí)間可切換為低功耗的睡眠模式,從而降低能耗。
  在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,傳感器節(jié)點(diǎn)所采集的數(shù)據(jù)無線傳輸至Sink節(jié)點(diǎn)。通過監(jiān)測節(jié)點(diǎn)地理位置,傳感器節(jié)點(diǎn)可將所采集的感知信息無線傳送至中繼節(jié)點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的,可在簇頭或Si

4、nk節(jié)點(diǎn)上采用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)聚合函數(shù)來處理從傳感器發(fā)來的大量數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)聚合過程中,一些信息可被整合在一起并由相同的位數(shù)表示,從而實(shí)現(xiàn)通信過程中的節(jié)能,數(shù)據(jù)發(fā)送的頻率則取決于特定的應(yīng)用。
  無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中會(huì)出現(xiàn)多對一的情況,這將導(dǎo)致靠近Sink節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)比遠(yuǎn)離Sink節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)更容易引發(fā)嚴(yán)重的競爭和擁塞。當(dāng)競爭和擁塞加劇,丟包率也會(huì)隨之加大,因?yàn)榭拷黃ink的節(jié)點(diǎn)承擔(dān)巨大的數(shù)據(jù)包傳輸任務(wù),因而需要消耗更多的能量,導(dǎo)致能量過早耗完,

5、使此Sink節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)的其它部分?jǐn)嚅_連接。
  由于單個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)的性能差異,數(shù)據(jù)融合技術(shù)還存在一些障礙,網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)面臨著一些挑戰(zhàn):
  傳感器節(jié)點(diǎn)的低可靠性問題。網(wǎng)絡(luò)層中的問題,如傳感器的內(nèi)存、處理能力及電池壽命有限。處理技術(shù)和通信協(xié)議需容忍單個(gè)節(jié)點(diǎn)故障、適應(yīng)不斷變化的環(huán)境、檢查傳感數(shù)據(jù)的完整性,并在有限的條件下,提取有效信息并進(jìn)行時(shí)-空數(shù)據(jù)聚合。還有傳感數(shù)據(jù)中的異常與噪聲、NP難數(shù)據(jù)聚合時(shí)間、數(shù)據(jù)傳輸中的能耗,另外

6、由于數(shù)據(jù)流是每次一條消息,所以如何獲取完整的鄰居節(jié)點(diǎn)信息和聚合信息也是一個(gè)挑戰(zhàn)。
  針對傳感器能量有限的問題,本文提出了一系列解決此問題的算法。
  首先,我們提出了一種新型聚類算法:高效能源聚類算法(EECR),通過有效利用傳感器的能源,以延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命。EECR延長網(wǎng)絡(luò)生存期并且提高性能,這是因?yàn)樗心芰μ幚泶罅侩S機(jī)分布的傳感器,同時(shí)能夠處理特殊形狀的簇,適應(yīng)于各種不同大小的簇。
  EECR采用一個(gè)小數(shù)

7、量的傳感器網(wǎng)絡(luò),每個(gè)傳感器都代表一個(gè)簇。如果在任何一對傳感器節(jié)點(diǎn)中兩個(gè)簇之間的距離是最短的,合并兩個(gè)簇。然后從每個(gè)簇中選擇數(shù)量恒定的一小部分節(jié)點(diǎn)作為簇代表,傳感器彼此之間盡可能遠(yuǎn)(位于簇的邊界)。一般來說,簇內(nèi)傳感器的恒定數(shù)量應(yīng)大于10。如果值小于10,那么代表節(jié)點(diǎn)將不能真實(shí)反映簇的結(jié)構(gòu)。接著,如果兩個(gè)簇內(nèi)各有一個(gè)代表性的傳感器,且這兩個(gè)傳感器足夠接近,那么合并兩個(gè)簇。重復(fù)這一合并的步驟,直到不再有足夠接近的簇。這樣每個(gè)傳感器Si與簇代

8、表傳感器進(jìn)行比較,如果某個(gè)代表傳感器與Si距離較近,則Si被分配到此代表傳感器相應(yīng)的簇。
  每個(gè)簇的質(zhì)心(協(xié)調(diào)中心)是已知的,最接近質(zhì)心的傳感器將被選為簇頭,用來平衡所有傳感器和其簇頭間的距離。這樣可以減少在傳感器和簇頭之間進(jìn)行長距離數(shù)據(jù)分組傳輸?shù)哪芰肯摹T谶@點(diǎn)的WSN簇形成,簇頭為每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)分配了一個(gè)TDMA時(shí)隙。
  在每一次EECR聚類算法中,傳感器監(jiān)測環(huán)境、記錄事件,并將其報(bào)告給它的簇頭。如果簇頭的剩余能量低于

9、其閾值,在非簇頭節(jié)點(diǎn)中選出一個(gè)比簇頭節(jié)點(diǎn)能量高的點(diǎn)作為下一輪的備用簇頭,以此避免分簇的額外開銷。由于傳感器在感知、處理數(shù)據(jù)以及將數(shù)據(jù)包傳輸?shù)酱仡^的過程中,其能量會(huì)不斷消耗殆盡以致失效,所以當(dāng)一半以上的傳感器失效時(shí),會(huì)啟動(dòng)重聚類過程,根據(jù)新的參數(shù),如傳感器數(shù)量、傳感器能量以及融合閾值來重新聚合未失效的傳感器。
  EECR算法的時(shí)間復(fù)雜度為O(1),空間復(fù)雜度與n成線性關(guān)系,這要優(yōu)于LEACH算法。
  我們根據(jù)事件等級(jí)將事件

10、分為三種類:正常事件,重要事件,關(guān)鍵事件(事件分類取決于具體應(yīng)用)。本文采用Cuckoo Search Optimization, CSO算法,讓每種類型的事件能高效地找到最佳的傳感節(jié)點(diǎn)來轉(zhuǎn)發(fā)記錄的數(shù)據(jù)包。
  CSO算法的靈感來自于Xin-she Yang和Suash Deb提出的元啟發(fā)式優(yōu)化算法,即巢里每個(gè)蛋代表一種解決方法,而一個(gè)蛋代表一種新的解決方法。這樣做的目地在于用新的以及可能的更好的方法(杜鵑)來取代在巢比較差的方法

11、。CSO算法有以下三個(gè)基本原則:
  1、每個(gè)杜鵑一次只下一個(gè)蛋,并把蛋隨機(jī)放在一個(gè)巢中。
  2、具有高質(zhì)量的蛋的巢將會(huì)延續(xù)給下一代。
  3、可用的主巢的數(shù)量是固定的,主巢中的鳥找到以固定概率下蛋的杜鵑所下的蛋。
  隨機(jī)游動(dòng)和萊維飛行應(yīng)用于通用方程的新的解決方案的計(jì)算,并且隨機(jī)游動(dòng)與杜鵑蛋和主巢的鳥蛋間的相似性有聯(lián)系。
  一個(gè)重要的問題是如何在通用方程中應(yīng)用萊維飛行和隨機(jī)游動(dòng),來產(chǎn)生新的解決方案。對

12、于一個(gè)固定的迭代次數(shù),步長決定隨機(jī)游動(dòng)能走多遠(yuǎn)。如果步長太大,則產(chǎn)生的新方法離原來的方法太遠(yuǎn)(甚至跳出了邊界),所以這樣的移動(dòng)是不能接受的。如果步長太小,變化太小以至于變化沒有意義,從而導(dǎo)致這樣搜索的效率不高。因此,適當(dāng)?shù)牟介L對于盡可能維持搜索的高效性是很重要的。
  其次,本文提出利用CSO算法的離散形式作為一個(gè)自然啟發(fā)的元啟發(fā)式算法,用來尋找最佳傳感節(jié)點(diǎn),該節(jié)點(diǎn)將把感知的本地事件數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給簇頭(每種類型的事件有不同數(shù)量的傳感

13、器)。
  每種類型的事件可以在興趣領(lǐng)域被若干傳感器檢測出來,并且每個(gè)傳感器能夠把報(bào)告發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)或其簇頭,但是這樣做將傳送冗余數(shù)據(jù),從而導(dǎo)致傳感節(jié)點(diǎn)浪費(fèi)能量去轉(zhuǎn)發(fā)重復(fù)數(shù)據(jù),造成網(wǎng)絡(luò)擁塞,簇頭在接收數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)損耗能量并失去額外可聚合這些數(shù)據(jù)的能量。
  如果在TI內(nèi),第三個(gè)傳感器Rel Sens收到了來自B_Sens的數(shù)據(jù)包,Rel_Sens將把該數(shù)據(jù)包發(fā)送給鄰近的簇頭。另外,如果Rel_Sens出現(xiàn)硬件錯(cuò)誤或存在信道故障,

14、沒有收到該數(shù)據(jù)包,那么Rel_Sens將給Cont_Sens發(fā)送一個(gè)控制信息來通知Rel_Sens沒有獲得該數(shù)據(jù)包并要求獲得這個(gè)數(shù)據(jù)包。Cont_Sens將會(huì)接收到來自Rel_Sens的控制信息并發(fā)送數(shù)據(jù)包給Rel_Sens。然后Rel_Sens將接收到的數(shù)據(jù)包發(fā)送給其簇頭。
  運(yùn)用杜鵑優(yōu)化算法通過以下的元組R=尋找以最小能耗發(fā)送數(shù)據(jù)包到簇頭的最佳傳

15、感器。
  在TNS中,每個(gè)巢有許多蛋,每個(gè)蛋代表一種解決方法,最好的解決方法是杜鵑,將傳遞給下一代。
  這個(gè)函數(shù)返回三個(gè)最優(yōu)傳感器,這個(gè)返回結(jié)果將會(huì)被如下利用:最優(yōu)傳感器表示很可靠傳輸數(shù)據(jù)包的傳感器,而次優(yōu)傳感器表示可靠的交換和接力傳感器的控制消息,第三個(gè)最優(yōu)傳感器將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)至基站。
  對于多節(jié)點(diǎn)的選擇,本文和具有代表性的兩種算法進(jìn)行了比較,和LEACH協(xié)議進(jìn)行比較時(shí),我們的算法在在降低能耗、提高網(wǎng)絡(luò)生命周期與

16、網(wǎng)絡(luò)吞吐率上有著較高的優(yōu)勢。
  MNS選擇方案包括雙節(jié)點(diǎn)選擇和三節(jié)點(diǎn)選擇,也通過能量消耗、網(wǎng)絡(luò)生命周期、網(wǎng)絡(luò)吞吐率來衡量其性能。
  短時(shí)間內(nèi),LEACH的穩(wěn)定時(shí)期和不穩(wěn)定時(shí)期分別比MNS少70%和30%,而到具體的事件時(shí),就會(huì)有5%的丟包率,這也影響了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。
  通過存活節(jié)點(diǎn)數(shù)目衡量網(wǎng)絡(luò)生命周期時(shí),我們的DNS,MNS方案在70%的特殊事件和30%的重要事件上比LEACH有明顯的優(yōu)勢,因?yàn)樗麄冎辉诤苌俚膫?/p>

17、感器上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,而不需要大量的簇內(nèi)傳感器。
  整個(gè)的網(wǎng)絡(luò)能量消耗顯示LEACH協(xié)議在數(shù)據(jù)聚合時(shí)消耗了大量能量,然而在我們的方案保留了足夠的量能,可以讓它持續(xù)運(yùn)行更多的周期。
  最后比較了整體吞吐量(所有從常規(guī)節(jié)點(diǎn)到簇頭節(jié)點(diǎn)和從簇頭節(jié)點(diǎn)到基站的傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包)。EECR的整體吞吐量比LEACH,MH-LEACH,和E-LEACH要高,因?yàn)镋ECR穩(wěn)定時(shí)段和不穩(wěn)定時(shí)段都比LEACH,MH-LEACH,和E-LEACH要長,

18、這提高了在網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸。
  Vir_ Clu_ Gen的性能評(píng)估顯示,它比E-LEACH和EECR算法更可靠。這是因?yàn)镋-LEACH和EECR的不穩(wěn)定時(shí)段與穩(wěn)定時(shí)段相對較短。Vir_ Clu_Gen可提高網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存活節(jié)點(diǎn)的數(shù)量,這也就提高了網(wǎng)絡(luò)壽命。在整體網(wǎng)絡(luò)能耗方面,E-LEACH和EECR消耗能量的速度比Vir_Clu_Gen快得多。在整體吞吐量方面,由于E-LEACH和EECR的不穩(wěn)定時(shí)段和穩(wěn)定時(shí)段都比Vir_ Clu_

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