無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換問(wèn)題研究.pdf

1、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是由具有感知能力、計(jì)算能力和無(wú)線(xiàn)通信能力的傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織方式構(gòu)成的，它綜合了傳感器、嵌入式計(jì)算、無(wú)線(xiàn)通信和分布式信息處理等多種技術(shù)。作為一種“無(wú)處不在的計(jì)算”模式，其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，包括軍事監(jiān)控，環(huán)境監(jiān)測(cè)，緊急救援，定位跟蹤等。 數(shù)據(jù)交換是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中最基本、最重要的數(shù)據(jù)操作之一。傳感器節(jié)點(diǎn)采集到本地感應(yīng)到的數(shù)據(jù)以后，在信息中繼節(jié)點(diǎn)的幫助下，通過(guò)多跳路由將數(shù)據(jù)發(fā)送到其他的傳感器節(jié)點(diǎn)；與此同時(shí)，該節(jié)點(diǎn)又需

2、要獲取其他所有節(jié)點(diǎn)新采集到的數(shù)據(jù)。這是一種典型的All to All通訊模式，也稱(chēng)之為數(shù)據(jù)交換。 在數(shù)據(jù)交換的研究過(guò)程中，我們主要關(guān)注于以下三點(diǎn)性能：首先，由于傳感器節(jié)點(diǎn)能量受限，因此能量有效在數(shù)據(jù)交換中的地位相當(dāng)重要，它直接關(guān)系到各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的能量使用情況，進(jìn)而影響到了整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用生命期。其次，數(shù)據(jù)的延遲在許多數(shù)據(jù)交換的應(yīng)用中是一個(gè)非常重要的指標(biāo)，它囊括了在數(shù)據(jù)傳輸，路由和數(shù)據(jù)聚集操作中產(chǎn)生的延遲。最后，數(shù)據(jù)的可靠性

3、對(duì)于存在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)交換過(guò)程顯得尤為重要，節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性導(dǎo)致鏈路不穩(wěn)定，很多數(shù)據(jù)無(wú)法準(zhǔn)確的到達(dá)目的地，因此確保數(shù)據(jù)的可靠性是數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)能否投入到實(shí)際應(yīng)用的前提。 盡管已經(jīng)有不少的研究成果，但數(shù)據(jù)交換領(lǐng)域仍然有許多值得研究的內(nèi)容。在理論模型方面，更實(shí)用的數(shù)據(jù)交換模型需要被進(jìn)一步發(fā)掘。在數(shù)據(jù)交換協(xié)議設(shè)計(jì)方面，目前協(xié)議在系統(tǒng)能耗和生命期方面仍有很大的提升空間，并且缺乏高效的分布式協(xié)議。在實(shí)際應(yīng)用方面，應(yīng)用的多樣性使得目前的數(shù)據(jù)交換協(xié)

4、議還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足實(shí)際系統(tǒng)需求。無(wú)論是設(shè)計(jì)新的數(shù)據(jù)協(xié)議解決新問(wèn)題，還是改進(jìn)已有的協(xié)議使之更加高效，都需要更進(jìn)一步的工作。 有鑒于此，本文研究?jī)?nèi)容主要包括以下幾個(gè)方面： ·無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)一種使用改進(jìn)星型樹(shù)的數(shù)據(jù)交換協(xié)議DEIST(Data Ex—change using Improved Star Trees)：已有的數(shù)據(jù)交換協(xié)議在能耗方面仍有所欠缺，因此我們考慮一種能量與延遲高效的數(shù)據(jù)交換協(xié)議以實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中任意節(jié)點(diǎn)間的

5、數(shù)據(jù)交換策略。在本文中，我們通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)?zāi)M，確認(rèn)網(wǎng)格劃分策略，從而將目標(biāo)區(qū)域劃分成為四個(gè)相同的網(wǎng)格，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)本地的位置信息從而判斷自己屬于哪個(gè)網(wǎng)格。協(xié)議在每個(gè)網(wǎng)格中計(jì)算本地的頂點(diǎn)質(zhì)心作為本地?cái)?shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)，然后以該節(jié)點(diǎn)為樹(shù)根利用貪心算法構(gòu)建改進(jìn)星型樹(shù)。改進(jìn)星型樹(shù)負(fù)責(zé)對(duì)本地網(wǎng)格內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的信息進(jìn)行收集封裝，然后通過(guò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，將局部信息打包發(fā)送給全局?jǐn)?shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)。最終，由全局?jǐn)?shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)將各網(wǎng)格的數(shù)據(jù)信息分發(fā)至其他網(wǎng)格。實(shí)驗(yàn)結(jié)

6、果表明，與Multiple Chain協(xié)議相比，DEIST將系統(tǒng)生命期至少延長(zhǎng)了一倍，并且降低了20％左右的網(wǎng)絡(luò)延遲。 ·無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)一種能量有效的分布式數(shù)據(jù)交換協(xié)議DDET(Distributed Data Exchange Tree)：在實(shí)際的系統(tǒng)中，如單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)，往往僅有部分節(jié)點(diǎn)而并非全部節(jié)點(diǎn)期望獲取數(shù)據(jù)，并且由于各節(jié)點(diǎn)的需求差異，其數(shù)據(jù)請(qǐng)求率也可能各不相同。因此我們提出了能量有效的分布式數(shù)據(jù)交換協(xié)議DDET，用于解決

7、面向傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)請(qǐng)求率不一致的數(shù)據(jù)交換問(wèn)題。協(xié)議首先收集網(wǎng)絡(luò)中各傳感器節(jié)點(diǎn)的信息，對(duì)所有傳感器節(jié)點(diǎn)的本地?cái)?shù)據(jù)請(qǐng)求率進(jìn)行排序；其次，在每一輪中，選擇數(shù)據(jù)請(qǐng)求率最大的節(jié)點(diǎn)加入到生成樹(shù)中，使得網(wǎng)絡(luò)的總能耗最??；最終，利用虛擬減枝法來(lái)確定深度最小生成樹(shù)的樹(shù)根，以減少網(wǎng)絡(luò)能耗。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與性能較好的DEIST相比，DDET至少將系統(tǒng)生命期延長(zhǎng)了100％，并且節(jié)省了3％的系統(tǒng)總能耗。 ·基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能導(dǎo)服系統(tǒng)：該智能導(dǎo)服系統(tǒng)

8、使用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及相關(guān)的硬件設(shè)備，適用于大型的展館、博物館、景區(qū)旅游等應(yīng)用。本文詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，對(duì)各系統(tǒng)模塊的功能進(jìn)行了仔細(xì)說(shuō)明。其中，數(shù)據(jù)交換模塊為智能導(dǎo)服系統(tǒng)提供了穩(wěn)定的路由傳輸機(jī)制，并支持多種形式的數(shù)據(jù)傳輸模式，如單播、廣播、信息交換(All to All)等，極大了擴(kuò)展了系統(tǒng)的功能。我們已完成原型系統(tǒng)的建立，目前處于實(shí)地調(diào)試階段。 本文的主要貢獻(xiàn)和創(chuàng)新點(diǎn)如下： 1.在數(shù)據(jù)交換理論模型方面，提

9、出了面向傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)請(qǐng)求率不一致的數(shù)據(jù)交換模型，模型中存在兩類(lèi)節(jié)點(diǎn)—傳感節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)，且各傳感節(jié)點(diǎn)由于功能和需求的差異對(duì)數(shù)據(jù)的請(qǐng)求率并不相同。該模型具有更加廣泛的適應(yīng)性與通用性。 2.針對(duì)面向全部節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)請(qǐng)求率一致的數(shù)據(jù)交換問(wèn)題，提出了基于改進(jìn)星型樹(shù)的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)鏈路的構(gòu)造，獲得了低能耗、低延遲數(shù)據(jù)交換協(xié)議DEIST。 3.為解決面向傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)請(qǐng)求率不一致的數(shù)據(jù)交換問(wèn)題，設(shè)計(jì)了局部化的分布式協(xié)議DDET，取得了不亞