無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式分簇和節(jié)能的數(shù)據(jù)收集協(xié)議研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種新的信息獲取方式和信息處理模式，通過大量部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)，采集網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)感知對象的信息，采用多跳的無線通信方式，將收集、處理后的信息提供給終端用戶。它將邏輯上的信息世界與客觀上的物理世界聯(lián)系起來，改變了人類與自然界的交互方式，實現(xiàn)了物理世界、計算世界以及人類社會三種世界的連通。因此，數(shù)據(jù)收集是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最基本的應(yīng)用，是各種復(fù)雜應(yīng)用的基礎(chǔ)。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)直接從物理世界獲取的數(shù)據(jù)是海量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)

2、與數(shù)據(jù)之間又存在高度的關(guān)聯(lián)性，本文就此提出了一種基于分布式分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)混合型數(shù)據(jù)收集協(xié)議(Miscellaneous DataGathering Protocol based On distributed clustering techniques in Wireless SensorNetworks)，簡稱為MDG協(xié)議。該協(xié)議具有高效、準(zhǔn)確、健壯、節(jié)能的特點(diǎn)。 通過分析現(xiàn)有典型的數(shù)據(jù)收集協(xié)議，發(fā)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3、中的分層結(jié)構(gòu)、特別是分簇結(jié)構(gòu)非常適合于大規(guī)模、高密度隨機(jī)部署的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收集應(yīng)用。分簇已被證實是更加適合于大規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡(luò)和方便在數(shù)據(jù)收集中嵌入數(shù)據(jù)融合技術(shù)，這種結(jié)構(gòu)對均衡負(fù)載、延長網(wǎng)絡(luò)生命周期有顯著的作用。 本文首先提出了一種新的以鄰居節(jié)點(diǎn)的平均剩余能量與節(jié)點(diǎn)本身的剩余能量的比值作為競爭簇頭的主要參數(shù)，以節(jié)點(diǎn)的“度”作為節(jié)點(diǎn)競爭簇頭的輔助參數(shù)的并行節(jié)能的分布式分簇算法BPEC。執(zhí)行BPEC算法，整個網(wǎng)絡(luò)的廣播消息量

4、復(fù)雜度為O(n)，整個網(wǎng)絡(luò)的時間復(fù)雜度為O(1)。由BPEC算法產(chǎn)生的簇頭集合被證明是一個最大獨(dú)立集，簇頭集合能覆蓋網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)足夠多時，仿真實驗結(jié)果表明，簇頭集合的尺寸大小與理論推導(dǎo)值十分接近。 在保證用戶對檢測目標(biāo)區(qū)域期望覆蓋度的要求下，依照節(jié)點(diǎn)輪次休眠節(jié)能理論，推導(dǎo)出用于簇覆蓋的最小簇內(nèi)活動節(jié)點(diǎn)數(shù)k的值，并且實現(xiàn)了簇內(nèi)(Intra-cluster)和簇間(Inter-cluster)節(jié)能的路由調(diào)度算法。確保了BP

5、EC算法產(chǎn)生的簇頭集合構(gòu)造成連通支配集，并使用反向擴(kuò)散法構(gòu)建了用于數(shù)據(jù)收集的路由匯集生成樹。 為了解決數(shù)據(jù)收集中相鄰簇間的傳輸信號干擾問題，提出一種基于分簇路由結(jié)構(gòu)的全網(wǎng)統(tǒng)一TDMA時隙調(diào)度算法。將每輪的數(shù)據(jù)收集時間沿匯集樹逐層向下進(jìn)行時間分割，匯集樹上的每個簇頭節(jié)點(diǎn)都保存為自己分配的起始工作時刻和子樹的控制時間兩個數(shù)據(jù)。并保證在匯集樹中，任何一個節(jié)點(diǎn)的控制時間大于等于其孩子的控制時間的總和；任何一個節(jié)點(diǎn)的起始工作時刻大于其孩子

6、中的任何一個起始工作時刻，并且它的左孩子的起始工作時刻總是小于右孩子的起始工作時刻。TDMA時隙分配完畢后，由于各節(jié)點(diǎn)的起始工作時刻都不相同，節(jié)點(diǎn)就可以根據(jù)自己的TDMA起始工作時刻開始數(shù)據(jù)傳輸，而不會發(fā)生碰撞沖突。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中使用雙隊列技術(shù)實現(xiàn)區(qū)分服務(wù)方案。兼顧一般數(shù)據(jù)收集融合處理和緊急數(shù)據(jù)即刻轉(zhuǎn)發(fā)兩種服務(wù)方式，提出了一種基于區(qū)分服務(wù)機(jī)制的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集算法，滿足了用戶對突發(fā)事件的檢測要求。仿真實驗表明，MDG數(shù)據(jù)收集協(xié)