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无线传感器网络数据交换问题研究

徐犇  
【摘要】: 无线传感器网络是由具有感知能力、计算能力和无线通信能力的传感器节点通过自组织方式构成的,它综合了传感器、嵌入式计算、无线通信和分布式信息处理等多种技术。作为一种“无处不在的计算”模式,其应用领域十分广泛,包括军事监控,环境监测,紧急救援,定位跟踪等。 数据交换是无线传感器网络中最基本、最重要的数据操作之一。传感器节点采集到本地感应到的数据以后,在信息中继节点的帮助下,通过多跳路由将数据发送到其他的传感器节点;与此同时,该节点又需要获取其他所有节点新采集到的数据。这是一种典型的All to All通讯模式,也称之为数据交换。 在数据交换的研究过程中,我们主要关注于以下三点性能:首先,由于传感器节点能量受限,因此能量有效在数据交换中的地位相当重要,它直接关系到各个传感器节点的能量使用情况,进而影响到了整个传感器网络的使用生命期。其次,数据的延迟在许多数据交换的应用中是一个非常重要的指标,它囊括了在数据传输,路由和数据聚集操作中产生的延迟。最后,数据的可靠性对于存在移动节点的数据交换过程显得尤为重要,节点的移动性导致链路不稳定,很多数据无法准确的到达目的地,因此确保数据的可靠性是数据交换系统能否投入到实际应用的前提。 尽管已经有不少的研究成果,但数据交换领域仍然有许多值得研究的内容。在理论模型方面,更实用的数据交换模型需要被进一步发掘。在数据交换协议设计方面,目前协议在系统能耗和生命期方面仍有很大的提升空间,并且缺乏高效的分布式协议。在实际应用方面,应用的多样性使得目前的数据交换协议还远远不能满足实际系统需求。无论是设计新的数据协议解决新问题,还是改进已有的协议使之更加高效,都需要更进一步的工作。 有鉴于此,本文研究内容主要包括以下几个方面: ·无线传感器网络一种使用改进星型树的数据交换协议DEIST(Data Exchangeusing Improved Star Trees);已有的数据交换协议在能耗方面仍有所欠缺,因此我们考虑一种能量与延迟高效的数据交换协议以实现传感器网络中任意节点间的数据交换策略。在本文中,我们通过理论分析和实验模拟,确认网格划分策略,从而将目标区域划分成为四个相同的网格,每个传感器节点根据本地的位置信息从而判断自己属于哪个网格。协议在每个网格中计算本地的顶点质心作为本地数据中心节点,然后以该节点为树根利用贪心算法构建改进星型树。改进星型树负责对本地网格内部节点的信息进行收集封装,然后通过网关节点,将局部信息打包发送给全局数据中心节点。最终,由全局数据中心节点将各网格的数据信息分发至其他网格。实验结果表明,与Multiple Chin协议相比,DEIST将系统生命期至少延长了一倍,并且降低了20%左右的网络延迟。 ●无线传感器网络一种能量有效的分布式数据交换协议DDET(DistributedData Exchange Tree):在实际的系统中,如单兵作战系统,往往仅有部分节点而并非全部节点期望获取数据,并且由于各节点的需求差异,其数据请求率也可能各不相同。因此我们提出了能量有效的分布式数据交换协议DDET,用于解决面向传感器节点数据请求率不一致的数据交换问题。协议首先收集网络中各传感器节点的信息,对所有传感器节点的本地数据请求率进行排序;其次,在每一轮中,选择数据请求率最大的节点加入到生成树中,使得网络的总能耗最小;最终,利用虚拟减枝法来确定深度最小生成树的树根,以减少网络能耗。实验结果表明,与性能较好的DEIST相比,DDET至少将系统生命期延长了100%,并且节省了3%的系统总能耗。 ●基于无线传感器网络的智能导服系统:该智能导服系统使用无线传感器网络技术及相关的硬件设备,适用于大型的展馆、博物馆、景区旅游等应用。本文详细介绍了该系统的总体设计方案,对各系统模块的功能进行了仔细说明。其中,数据交换模块为智能导服系统提供了稳定的路由传输机制,并支持多种形式的数据传输模式,如单播、广播、信息交换(All to All)等,极大了扩展了系统的功能。我们已完成原型系统的建立,目前处于实地调试阶段。 本文的主要贡献和创新点如下: 1.在数据交换理论模型方面,提出了面向传感器节点数据请求率不一致的数据交换模型,模型中存在两类节点一传感节点和中继节点,且各传感节点由于功能和需求的差异对数据的请求率并不相同。该模型具有更加广泛的适应性与通用性。 2.针对面向全部节点数据请求率一致的数据交换问题,提出了基于改进星型树的算法来实现链路的构造,获得了低能耗、低延迟数据交换协议DEIST。 3.为解决面向传感器节点数据请求率不一致的数据交换问题,设计了局部化的分布式协议DDET,取得了不亚于集中式协议的性能。 4.针对智能导服系统中传感器节点移动的特性,我们提出了可靠的数据交换机制,并完成了基于MicaZ节点的原型系统的开发工作。


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