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无线传感器网络中的数据收集问题研究

陆克中  
【摘要】:数据收集是无线传感器网络的主要应用之一。在大型的传感器网络中,大量的传感器节点组成多跳的无线Ad hoc网络,传感器节点采集本地感应数据,并将处理结果传送给基站,基站再转发给外界用户。系统生命期是无线传感器网络最重要的设计因素之一,而传感器节点的电池能量直接决定着系统生命期。本文研究影响数据收集问题系统生命期的三个关键部分:数据收集协议、传感器节点的布置及传感器节点的调度,提出了相应的解决方案。现有研究都是针对平面模型的无线传感器网络,但是很多应用场合具有线性模型的特征。因此,本文针对平面模型和线性模型,分别提出了无线传感器网络数据收集问题的解决方案。 数据收集协议是网络层协议,研究传感器节点如何将数据传送给基站。传感器节点在侦听时需要消耗大量的能量,所以减少侦听节点数可以减少系统的能量消耗,从而延长系统生命期。现有协议主要是构造一个骨干网,传感器节点仅通过骨干网就可以向基站传送数据,通过构造最小骨干网使得侦听节点数最少。然而现有协议构造的骨干网中节点能量可能过小,这会产生盲点降低系统生命期,并且节点通过骨干网传送数据的路径可能过长,这会增大传送数据的能量消耗。本文综合考虑骨干网的大小、节点能量及路径,提出了一种基于广度优先搜索的数据收集树算法,并采用局部式方法进行维护。仿真实验表明该算法的系统生命期比现有算法提高了15%左右,延迟减短了23%左右。对于线性模型,本文提出了一种基于线性路径的骨干网算法,仿真实验表明该算法的系统生命期比平面模型的算法提高了12%左右。 传感器节点的合理布置可以有效延长系统生命期。由于无线传感器网络是多跳传输的,各区域的数据流密度是不一致的。距离基站越近的区域,需要转发的数据越多,数据流密度越大,能量消耗越快。现有方案都采用均匀布置传感器节点,这样会导致基站附近的传感器节点很快消耗完能量而失效,网络变得不连通从而降低系统生命期。本文通过研究各区域的能量消耗速度,提出了布置传感器节点的密度公式,使得各区域的整体能量与此区域的能量消耗速度之比保持一致,这样传感器节点趋向于同时消耗完能量,从而延长系统生命期。对于平面模型,本文提出了密度公式ρ(r)=3n[(R~2-r~2)/r+c]/[πR~2(4R+3c)],其中ρ(r)为距离基站


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