無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇式數(shù)據(jù)收集機(jī)制研究與性能分析.pdf

1、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)組成的一個(gè)多跳的、自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并把這些信息發(fā)送給遠(yuǎn)程用戶，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸三種功能。數(shù)據(jù)收集技術(shù)作為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一項(xiàng)基本技術(shù)，是目前無(wú)線傳感網(wǎng)中的研究熱點(diǎn)。能否有效地采集到合適的數(shù)據(jù)直接關(guān)系到應(yīng)用的效果。
　　在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集方式如基線傳輸中，節(jié)點(diǎn)負(fù)載不均衡，靠近匯聚節(jié)點(diǎn)sink的傳感器節(jié)點(diǎn)需要傳輸更多的數(shù)據(jù)包，網(wǎng)絡(luò)

2、生存周期會(huì)因局部節(jié)點(diǎn)負(fù)載過(guò)重而大大縮短。本文針對(duì)如何優(yōu)化無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收集性能提出兩個(gè)數(shù)據(jù)傳輸模型，分別用來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娜萘?、降低網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延，以及減少網(wǎng)絡(luò)傳輸次數(shù)、降低網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量消耗，最后利用PEPA對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收集進(jìn)行建模描述并分析傳輸性能，從而達(dá)到優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?
　　首先，本文提出了一種基于網(wǎng)格劃分的分簇式數(shù)據(jù)收集模型。在由n個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和一個(gè)sink節(jié)點(diǎn)組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，分析了這種模型的三個(gè)傳輸

3、階段，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的容量和時(shí)延做定量分析，得到容量及時(shí)延公式。改進(jìn)的數(shù)據(jù)收集方式在確定好網(wǎng)格劃分時(shí)，頭節(jié)點(diǎn)接收到成員節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后經(jīng)過(guò)壓縮感知將數(shù)據(jù)融合，并發(fā)送給鄰居頭結(jié)點(diǎn)，頭節(jié)點(diǎn)收集到網(wǎng)格內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)后沿著生成的路由路徑將數(shù)據(jù)發(fā)送給sink節(jié)點(diǎn)。與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集方法比較，可以有效提高網(wǎng)絡(luò)的容量，降低網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延。并且由于采用壓縮感知技術(shù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載得到了均衡。局部節(jié)點(diǎn)不會(huì)因負(fù)載過(guò)重而失去效用，網(wǎng)絡(luò)的生命周期因此得到了延長(zhǎng)。
　　其次

4、，針對(duì)如何節(jié)省傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗，提出一種分簇式網(wǎng)絡(luò)中基于壓縮感知(CS-C)的數(shù)據(jù)收集模型。減少節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸次數(shù)是有效地節(jié)省節(jié)點(diǎn)能量消耗的一種途徑。利用壓縮感知技術(shù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要發(fā)送若干個(gè)觀測(cè)值給sink節(jié)點(diǎn)。對(duì)于大規(guī)模的WSN來(lái)說(shuō)，由于傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)目非常多，網(wǎng)絡(luò)的總傳輸次數(shù)相應(yīng)的也很大。在分簇式網(wǎng)絡(luò)中，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)通過(guò)多跳的方式發(fā)送數(shù)據(jù)給簇頭節(jié)點(diǎn);簇頭節(jié)點(diǎn)收到簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)的信息后，運(yùn)用壓縮感知的方法，將數(shù)據(jù)發(fā)送給鄰居簇頭節(jié)點(diǎn)，最終

5、發(fā)送給sink節(jié)點(diǎn)。簇的大小決定了簇內(nèi)的傳輸次數(shù)，簇的個(gè)數(shù)決定了簇間的傳輸次數(shù)。在CS-C數(shù)據(jù)收集模型中，聯(lián)合多跳傳輸和壓縮感知的優(yōu)點(diǎn)，在均衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的同時(shí)，降低節(jié)點(diǎn)的能量消耗。本文對(duì)傳輸次數(shù)與簇的大小的關(guān)系進(jìn)行了分析，推導(dǎo)出最優(yōu)簇大小的公式，通過(guò)確定分簇的大小，使得網(wǎng)絡(luò)總傳輸次數(shù)減少，并給出了分簇算法。
　　最后利用性能評(píng)估進(jìn)程代數(shù)(PEPA)的方法來(lái)分析分簇式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能。分簇式網(wǎng)絡(luò)中，將各個(gè)簇看成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的子系統(tǒng)