收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

无线传感器网络高效数据传输方法

李国华  
【摘要】:随着传感器技术、嵌入式计算以及无线通讯技术的发展,使得具有感知、计算和通信能力的微型化传感器节点成为可能,无线传感器网络(WirelessSensor Networks, WSNs)就是由这些传感器节点组成,它们一般部署在一个监测区域来协作地感知、收集和处理感知信息,通过自组织的方式相连,然后将处理后的信息通过多跳的方式传输到基站。无线传感器网络在环境监测、医疗健康、智能交通和军事国防等领域有广泛的应用。由于无线传感器网络是以数据为中心的网络,因此如何高效地传输感知数据是无线传感器网络的一个重要研究问题。一个简单的方法是让所有的传感器节点周期性地将数据传输给汇聚节点(Sink节点)。然而这将给节点带来严重的存储和通信开销,这与无线传感器网络所要求的高能效性要求不符,因为无线传感器网络中的节点只有有限的电池能量,而数据的无线传输是能量消耗的主要部分,过多的无线传输将会快速耗尽节点的电池能量,从而引起节点失效。因此,如何在不危及网络的任务条件下尽可能地减少数据的传输是一个重要的研究问题。针对此问题,本文从数据压缩和拥塞控制两方面考虑了无线传感器网络上的数据传输的问题,并提出了相应的策略和算法。本文的主要研究成果包括如下几个方面。 首先,本文提出了一个不连接的分段线性压缩算法GDPLA。由于无线传感器网络具有有限的能量资源,为了减少感知数据存储、传输和处理的能量开销,有必要对原始数据进行压缩处理。目前,尽管有许多数据压缩方法可用来减少数据量,但由于它们的超线性时间或者非在线特性,使得它们很难应用于资源有限的无线传感器网络。针对这些不足,本文提出了一个最优的在线算法GDPLA,其用不连接的分段线段来近似描述时间序列,且保证每个数据点的真实值与近似值之间的误差的绝对值小于等于用户给定的阈值ε,本文证明了在保证误差界限ε的条件下,算法GDPLA用最少的线段条数来近似描述时间序列。而且证明了算法GDPLA的时间复杂度是O(n)且系数为6,其中n是时间序列的长度。算法的低时间复杂性使得其适用于资源有限的无线传感器网络。在两个真实数据集上进行的实验表明了本文算法具有优越的压缩性能。 第二,本文提出了一个不连接的分段曲线压缩算法3D-FSS (ThreeDimensional-Feasible Solution Space)。据我们所知,3D-FSS是第一个用分段曲线来近似描述时间序列的算法且保证每个真实数据值与其对应的曲线上的近似数据值之差的绝对值小于等于ε。算法3D-FSS的主要思想是将时间轴划分成多个片段,每个片段用一个二次函数来近似描述且保证误差界限ε。算法的关键在于为每个数据点建立一个可行解空间(Feasible solution space, FSS),这里可行解空间是由一组平行平面以及两平面之间的区域组成。当一个新的数据点Pj到达时,计算已经到达但未被压缩的数据点的FSS的交集和Pj的FSS的交集是否为空。若交集为空,则结束当前的片段,且从当前数据点开始新的一个片段。反之,若交集非空,则等待下一个数据点到达。这个过程一直重复直到整个时间序列被扫描完。本文证明了在保证误差ε的条件下,算法用最少个数的二次函数来近似描述时间序列,且仅需要线性的运行时间,即O(n)。在真实数据集上进行的实验表明3D-FSS的压缩性能优于GDPLA的压缩性能,但其运行时间稍高于GDPLA的运行时间。 第三,本文提出了一个保证加权公平性的数据传输协议。在无线传感器网络中,拥塞不仅导致丢包,还会增加网络延迟,减少吞吐量。因此,如何减缓或消除拥塞以提高能效性和延长网络生命时间是一个重要的研究问题。目前,已有许多针对此问题的解决方案,但它们中大多数采用的是开环控制的方法,这种方法将导致系统的不稳定和低准确度。针对上述不足,本文提出了一个分布式的保证加权公平性的数据传输协议WFCC。WFCC给每个节点赋予一个权值以反应其产生的数据的重要性,使用包的平均服务时间与包的平均到达时间的比值作为拥塞度量。基于节点的权值和拥塞度量,WFCC将时间轴划分成等长的周期序列,且通过使用闭环控制的方法来周期性地调节进入节点的数据包总速率来减缓拥塞。此外,WFCC首次给出了加权公平性的度量,且在理论上给出了其的一个下界1(10c/9)2,这里0c 0.2。实验结果表明WFCC的加权公平性平均达到了95%,优于目前已存在的基于速率的拥塞控制协议的加权公平性。另外,与目前最好的基于速率控制的拥塞控制协议PCCP相比,WFCC的网络吞吐量和加权公平性分别比PCCP高50%和19%。 第四,本文提出了一个基于单神经元PID控制的数据传输协议SNCCP。SNCCP的主要思想是确保每个传感器节点的缓冲区队列长度维持在一个理想值附近,其主要是通过一个反馈控制的方法自适应周期性地调节进入节点的总速率来实现。SNCCP给出了一个加权公平性度量fM,并证明了fM=1O(M2),这里M是指第M个周期。本文用由7个节点组成的无线传感器网络来评估SNCCP,实验结果表明,SNCCP的加权公平性平均达到了99%,远高于其他的基于速率的拥塞控制协议。另外,与目前最好的基于速率控制的拥塞控制协议PCCP相比,SNCCP的网络吞吐量和加权公平性分别比PCCP高53%和21%。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 朱近康;无线传感器网络技术[J];中兴通讯技术;2004年S1期
2 纪红;无线传感器网络:未来新的高技术产业[J];当代通信;2004年21期
3 李志刚,周兴社;传感器网络[J];计算机应用研究;2004年12期
4 臧丽娜;许明;赵晶;;无线传感器网络的研究与应用[J];商场现代化;2006年27期
5 胡晓荷;;将安全从鸵鸟做到麻雀——北京理工大学胡昌振教授谈无线传感器网络安全[J];信息安全与通信保密;2006年10期
6 刘月阳;李娜娜;纪红;乐光新;;无线传感器网络中基于能量的成簇协议[J];无线电工程;2006年10期
7 马碧春;;无线传感器网络在医疗行业的应用展望[J];中国医院管理;2006年10期
8 戴宁江;邱慧敏;;无线传感器网络的安全问题及对策[J];中国无线电;2006年10期
9 姜华;袁晓兵;付耀先;刘海涛;;无线传感器网络中信道仿真模型的研究[J];计算机仿真;2006年11期
10 邱建林;陆桑璐;陈道蓄;;一种无线传感器网络的多优先级数据聚集协议[J];小型微型计算机系统;2006年11期
11 陆克中;黄刘生;万颍渝;徐宏力;;无线传感器网络中传感器节点的布置[J];小型微型计算机系统;2006年11期
12 闵茹;李静;王军;;无线传感器网络定位技术及其应用[J];河南机电高等专科学校学报;2006年06期
13 李钊;韦玮;;无线传感器网络及关键技术综述[J];空间电子技术;2006年S1期
14 周大铨;苗辉;何晓东;;博弈模型在传感器网络安全中的应用[J];信息安全与通信保密;2006年11期
15 李志刚;屈玉贵;刘桂英;;用无线传感器网络探测跟踪目标[J];信息安全与通信保密;2006年12期
16 李峻;;无线传感器网络技术综述[J];科技资讯;2006年31期
17 李玉国;;基于传感器网络的煤矿安全监控系统设计[J];煤矿机电;2006年06期
18 张文;任全;;防空多传感器网络的拓扑优化模型[J];现代防御技术;2006年06期
19 黄晓霞;宋志光;;无线传感器网络与外网通信的研究[J];电子测量技术;2006年06期
20 崔吉;徐桂云;张燕超;李辉;;无线传感器网络的概述[J];山东通信技术;2006年04期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 唐云龙;;无线传感器网络系统实验分析[A];工程设计与计算机技术:第十五届全国工程设计计算机应用学术会议论文集[C];2010年
2 杜景林;陈力军;谢立;;无线传感器网络与互联网集成体系结构[A];2008年全国开放式分布与并行计算机学术会议论文集(下册)[C];2008年
3 刘昊;;面向电子智能服装的人体无线传感器网络构建[A];“力恒杯”第11届功能性纺织品、纳米技术应用及低碳纺织研讨会论文集[C];2011年
4 李华;李文秀;;无线传感器网络技术在养殖业污染防治上的应用前景[A];全国畜禽和水产养殖污染监测与控制治理技术交流研讨会论文集[C];2008年
5 李洁;任海风;;K重覆盖无线传感器网络优化[A];中国计量协会冶金分会2011年会论文集[C];2011年
6 余旻晖;唐亮;;无线传感器网络技术现状及应用[A];中国通信学会信息通信网络技术委员会2011年年会论文集(下册)[C];2011年
7 李凤保;李凌;;无线传感器网络技术综述[A];第七届青年学术会议论文集[C];2005年
8 吴晓蓓;黄成;徐志良;;传感器网络工作效率研究[A];2005全国自动化新技术学术交流会论文集(三)[C];2005年
9 吴荣泉;钱立群;;无线传感器网络概述[A];普适计算及其软件新技术——第三届长三角计算机科技论坛文集[C];2006年
10 孙丹宁;;影响无线传感器网络性能实现的关键因素分析[A];2006全国复杂网络学术会议论文集[C];2006年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 刘华峰;传感器网络三维拓扑组织及分簇算法研究[D];国防科学技术大学;2007年
2 高英明;无线传感器网络能量管理技术与理论研究[D];大连理工大学;2009年
3 刘明;无线传感器网络的资源异构及能效管理研究[D];华中科技大学;2009年
4 唐林俊;无线传感器网络若干基础问题的建模与分析[D];上海大学;2009年
5 崔筱宁;基于传感器网络的扩散型事件监测技术研究[D];中国科学技术大学;2010年
6 陆星家;面向普适医疗的无线传感器网络研究[D];东华大学;2009年
7 霍宏伟;医疗护理无线传感器网络系统关键技术研究[D];北京交通大学;2010年
8 姜楠;无线传感器网络自组织演化模型及其关键技术研究[D];南京航空航天大学;2008年
9 高艺;能源自给低功耗无线传感器网络关键技术研究[D];南开大学;2010年
10 袁久银;无线传感器网络节点能量均衡策略及控制算法研究[D];重庆大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 彭霁;无线传感器网络的节能与可靠性研究[D];电子科技大学;2008年
2 陆莹;基于无线传感器网络的组网可靠性研究[D];天津大学;2007年
3 潘虎;煤矿安全监控无线传感器网络系统研究[D];华中科技大学;2007年
4 张杉;无线传感器网络通信机制的研究[D];电子科技大学;2008年
5 宋保业;无线传感器网络关键技术研究[D];青岛科技大学;2008年
6 米琦;基于多维变换的无线传感器网络定位算法研究[D];上海交通大学;2007年
7 魏宝玲;利用无线传感器网络实施道路维护与监控[D];国防科学技术大学;2006年
8 蔡新文;无线传感器网络路由协议研究[D];西安电子科技大学;2008年
9 陈喆;传感器网络环境下的反监控算法研究[D];湖南大学;2008年
10 张卫华;温室低时延高效无线传感器网络的研究[D];江苏大学;2009年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 罗清岳;让无线传感器网络走入生活[N];电子资讯时报;2007年
2 ;多媒体传感器网络[N];中国计算机报;2006年
3 美国专利律师 谭文晔 薛之扬;无线传感器网络技术专利分析[N];科技日报;2010年
4 本报记者 赵建国;无线传感器网络改变未来世界[N];中国知识产权报;2011年
5 樊哲高;我国传感器网络标准工作取得新进展[N];中国电子报;2012年
6 本报记者 王博;传感器网络标准取得新进展[N];计算机世界;2012年
7 温雅路;利用无线传感器网络提高地质灾害监测能力[N];人民邮电;2008年
8 林宗辉;ZigBee无线传感器网络解决方案[N];电子资讯时报;2007年
9 赛迪顾问信息产业研究中心高级咨询师 王坤;国内外物联网技术研究进展[N];通信产业报;2009年
10 本报记者 张彤;物物之连[N];网络世界;2010年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978