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无线传感网络有效的数据收集问题研究

徐宏力  
【摘要】: 无线传感网络是由大量传感节点以自组织方式形成的多跳网络,而数据收集是无线传感网络中最基本、也是最重要的操作之一。传感节点采集本地感应的数据,经过多跳路由发送至基站,并最终转发给外界用户。由于目前的传感节点由干电池或纽扣电池来供电,因此设计能量有效的数据收集协议是无线传感网络研究中的一个挑战性课题。另外,低延迟是无线传感网络应用中最典型的服务质量(QoS)要求,因为低延迟的数据收集协议对于及时获取监视区域内的异常,避免灾害发生或降低灾害损失都有着举足轻重的意义。 本文主要研究能量或/与延迟有效的数据收集问题:覆盖保持的数据收集、面向数据收集的节点布置和无干扰的节点调度方法。并在理论研究成果的基础上,针对古建筑火灾监测的应用需求,我们研发了基于传感网络的火灾监测系统。 覆盖保持的数据收集是研究如何在网络的活动节点密度与节点传输半径实现折衷优化的问题。在传感网络中,如果活动节点密度高,则会产生大量的冗余数据,消耗较多的能量;反之,若活动节点较少,则节点间的通信距离较大,其结果导致每次传输能耗较大。因此,本文首次定义了覆盖保持的数据收集问题,即在保证覆盖的前提下构造能量最优的数据收集树。该问题可以转换为整型线性规划,本文提出了一个启发式算法CPDG(Coverage-Preserving Data Gathering)来解决该问题。仿真实验表明,CPDG算法能大大提高已有网络的性能,如与PEDAP算法相比,可以节省30%的能耗。为进一步提高网络生命期,我们又提出了能量平衡的算法BCPDG(Balanced Coverage-Preserving Data Gathering),其特点是当收集树上的部分节点能量即将耗尽时,根据网络节点剩余能量重新构造覆盖收集树,以达到平衡节点间的能量消耗、扩展网络生命期的目的。 在面向数据收集的节点放置问题中,m个数据源节点和基站都固定地分布在给定的区域中,如何通过放置n个中继节点来节省网络的能量消耗。本文首先针对线性网络模型提出了能量有效的节点配置算法;为了能有效地应用于二维平面模型,我们提出了基于矢量的中继节点放置算法。该算法在数据源节点位置和中继节点数确定的情况下,通过新颖的向量切割法计算中继节点的放置位置。模拟实验结果表明,在源节点和中继节点数之比为1:2时,该算法得到的网络能耗比常规配置算法节省50%左右,该模式已在我们实现的火灾预警原型系统中得到应用。因为在实际应用系统中,基于成本的原因,节点数的规模总是受限的,因此该算法对构建低成本的无线传感网络应用系统具有重要的意义。 由于很多应用,如紧急救援、火灾监测等,要求节点能在较短的时间内将数据报告给用户,因此需要研究能耗与延迟折衷的数据收集算法。我们在考虑路径传输干扰的基础上,提出了延迟能量有效的自组织数据收集SODG(Self-Organization Data Gathering)算法。它的特点是数据收集树的构造只依赖于节点一跳邻居的信息,因此是一个只依赖局部信息的分布式算法。为了减少延迟,SODG允许多条路径并发传输,如何避免并发传输时的干扰是设计算法的一个难点。我们首先利用局部信息来构造Gabriel图,然后根据Gabriel图来构造数据收集树。在Gabriel图上传输数据避免了长距离通信,节省能量;同时,节点的并发传输则减少了数据收集收集的延迟。实验模拟表明我们的协议是能量与延迟有效的,与著名的PEGASIS算法相比,SODG算法节约了64%的能耗;与基于链的协议相比,SODG减少了80%的延迟开销。 基于对数据收集问题的研究,并结合实际应用的需求,我们开发了无线传感网络火灾监测原型系统。本文详细介绍了系统的功能模块及其在协议栈各层上的节能关键技术,目前该系统正处于实地调试阶段。 本文的主要贡献和创新点如下: 首次提出了覆盖保持的数据收集模式,研究了活动节点密度与节点传输距离间的折衷优化问题,获得了低能耗的数据收集协议CPDG和BCPDG; 针对数据收集的节点布置问题,本文提出了新颖的基于向量分割的算法来实现中继节点的布置,实验表明了该算法的高效性; 为解决实时数据收集问题,我们设计了局部化的分布式算法来调度节点传输,使得数据收集过程能同时满足低能耗与低延迟。 本文探讨了计算几何在传感网络数据收集问题的应用,为将来计算几何概念在传感网络其他问题中的应用作了铺垫; 基于上述的理论研究,我们设计了无线传感网络火灾监测系统,目前已完成了基于MicaZ节点平台的原型系统开发(大概包含近30个节点)。


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