無線傳感器網(wǎng)絡(luò)高能效可靠數(shù)據(jù)傳輸理論及應(yīng)用研究.pdf

1、微機(jī)電系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以及無線通信等技術(shù)的進(jìn)步與融合，推動(dòng)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，簡(jiǎn)稱WSN)的產(chǎn)生與快速發(fā)展。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常由大量具有無線通信和數(shù)據(jù)處理能力的微型傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織的方式構(gòu)成，它將邏輯上的信息世界與真實(shí)的物理世界有機(jī)融合，深刻地改變了人與自然的交互方式，并對(duì)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)產(chǎn)生了極其深遠(yuǎn)的影響。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的資源嚴(yán)格受限，并且常被應(yīng)用在惡劣的環(huán)境中，這給無

2、線傳感器網(wǎng)絡(luò)的理論和應(yīng)用研究帶來了很多挑戰(zhàn)。
　　 高能效可靠數(shù)據(jù)傳輸是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中的一個(gè)基礎(chǔ)和關(guān)鍵問題，它決定了節(jié)點(diǎn)感知的數(shù)據(jù)如何經(jīng)多跳路由傳輸?shù)交?，?duì)網(wǎng)絡(luò)的通信性能和能量使用效率都有著關(guān)鍵的影響。針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)特點(diǎn)，研究高能效可靠數(shù)據(jù)傳輸理論和應(yīng)用技術(shù)具有非常重要的意義。
　　 為了保障數(shù)據(jù)傳輸可靠性和提高數(shù)據(jù)傳輸能效，本文在無狀態(tài)地理轉(zhuǎn)發(fā)原理的基礎(chǔ)上，圍繞著路由沖突優(yōu)化、基于簇的可靠傳輸以及基于

3、軌跡的分離多路徑可靠傳輸?shù)壤碚撆c技術(shù)展開了深入研究；并結(jié)合工業(yè)自動(dòng)化對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的在線分析儀表故障診斷系統(tǒng)。本文取得的理論研究成果和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　 1.針對(duì)無狀態(tài)地理轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議中的路由沖突問題，提出了一種基于分布式模糊綜合評(píng)判的路由沖突優(yōu)化機(jī)制FCEOS。該機(jī)制將“分布式模糊綜合評(píng)判”與“優(yōu)先級(jí)競(jìng)爭(zhēng)”相結(jié)合，在對(duì)所有下一跳候選節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)距離、鏈路質(zhì)量、剩余能量等因素進(jìn)行權(quán)衡的基

4、礎(chǔ)上，從中篩選出少數(shù)性能較優(yōu)的來參與下一跳轉(zhuǎn)發(fā)權(quán)的競(jìng)爭(zhēng)，以此降低候選節(jié)點(diǎn)間的沖突概率，提升協(xié)議的路由效率。理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：FCEOS通過優(yōu)化路由沖突，可以在無狀態(tài)地理轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議原有性能基礎(chǔ)上有效提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪苄Ш徒档蛿?shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延。
　　 2.針對(duì)現(xiàn)有多路徑傳輸協(xié)議中冗余轉(zhuǎn)發(fā)能耗過高的問題，本文在FCEOS研究成果的基礎(chǔ)上，將以“節(jié)點(diǎn)”為單位的地理轉(zhuǎn)發(fā)拓展成以“簇”為單位的地理轉(zhuǎn)發(fā)，并由此提出兩種基于動(dòng)態(tài)簇的可靠傳輸機(jī)制

5、CCRD和RCRD。在這兩種機(jī)制中，數(shù)據(jù)均是以簇為每跳單位向基站傳輸；各個(gè)簇通過其成員間的協(xié)作來保證傳輸?shù)目煽啃?，并通過限制簇成員數(shù)量來降低冗余傳輸能耗；簇是動(dòng)態(tài)的，在參與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)前建立，完成任務(wù)后自動(dòng)撤銷。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：與已有研究成果相比，這兩種機(jī)制在保障數(shù)據(jù)傳輸可靠性的同時(shí)，能有效提高數(shù)據(jù)傳輸能效和降低數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延；并且CCRD適合應(yīng)用在節(jié)點(diǎn)高密度部署的網(wǎng)絡(luò)中，而RCRD則適合應(yīng)用在較稀疏的網(wǎng)絡(luò)中。
　　 3.為了

6、在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)圖像、視頻等多媒體流的實(shí)時(shí)、可靠和高效傳輸，本文在RCRD研究成果的基礎(chǔ)上，提出了一種基于橢圓軌跡的分離多路徑可靠傳輸機(jī)制ETRF。ETRF利用地理位置信息，在信源節(jié)點(diǎn)和基站間構(gòu)建能均勻分布的橢圓軌跡分離多路徑，進(jìn)而將大塊的多媒體流分成多個(gè)較小的分組流，使其分別沿不同的軌跡路徑向基站并行傳輸；ETRF將冗余多路徑與冗余編碼機(jī)制相結(jié)合，并在每單條路徑上采用了基于動(dòng)態(tài)簇的可靠轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：與已有研究

7、成果相比，ETRF能在動(dòng)態(tài)性較強(qiáng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中有效提升多媒體流傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、可靠性和高效性。
　　 4.結(jié)合工業(yè)分析儀表對(duì)故障診斷系統(tǒng)的實(shí)際需求，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的在線分析儀表故障診斷系統(tǒng)。首先根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)組織結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了系統(tǒng)整體框架；基于此框架提出了分層故障診斷機(jī)制，通過將診斷任務(wù)在不同設(shè)備中分布執(zhí)行來提高系統(tǒng)的診斷效率；接著提出了多網(wǎng)冗余熱備份與終端節(jié)點(diǎn)網(wǎng)間切換相結(jié)合的組網(wǎng)機(jī)制，以克