无线传感器网络中低功耗的数据传输策略的研究

论文摘要

因其广泛的应用背景,无线传感器网络的研究目前备受工业界和学术界的重视。然而,传感器节点本身的硬件条件仍然制约着传感器网络的快速发展,特别是传感器节点通常只能由低能量的电池供电,且其传输范围短。因此,为了提高传感器网络的生存期,如何有效地利用有限的电池能量是设计网络协议时需要考虑的重要因素之一。经研究表明,数据传输所消耗的能量占据传感器能量损耗的最大部分,因此设计低功耗的数据传输策略成为无线传感器网络研究的热点之一。通常来说,无线传感器网络有三种传输模式:传感器节点之间的数据传输,从基站到传感器节点的数据传输以及从传感器节点到基站之间的数据传输。本文针对上述传感器网络中的数据传输模式,提出相应的传输策略以最小化传输过程中所消耗的能量。具体的研究内容有三点:1)设计基于服务组合的路由算法来完成传感器节点之间的协作,以实现基于服务组合的持续查询请求;2)设计基于网络编码的数据分发策略,将更新数据包从基站成功传输给网络中所有节点;3)设计基于地理信息的K任意组播路由协议以实现源传感器节点将数据包成功传输给N个基站中的任意K个。在以上问题的设计中,能量损耗是我们最关注的因素,具体的研究内容与贡献如下:(1)基于服务组合的持续查询路由的设计在低工作周期的传感器网络中,提供某些服务的某些传感器节点在有些时刻可能会处于睡眠状态,从而影响服务组合路由的运行。本文设计了一个新型的基于线性服务组合的持续查询路由。设计的主要目标为最小化在整个持续查询过程中所需要的路由切换次数,以减少由于路由切换而产生的能量损耗。同时,在主要目标的基础上,进一步最小化持续查询中每个服务组合路由的通信代价。通过这两个目标的结合,最终实现低能耗的服务组合路由。本文提出基于贪心和动态规划相结合的算法最优化了以上的设计目标。最后,模拟结果表明了本文的算法相比已有算法能大大降低整个服务组合查询的能量损耗。(2)基于网络编码的数据分发策略的研究在无线传感器网络中,睡眠调度机制以及无线传输的不可靠性都可能导致传感器节点丢包。本文通过综合考虑传感器节点的睡眠调度以及无线传输的丢包率,提出了基于网络编码的数据分发机制,以使得在每个时刻,能从当前正在发送的编码包/原始包中获取/解出对自己有用数据包的传感器节点个数的期望值最大。本文首先证明了该问题是一个NP难问题,并将该问题转换成在构建的虚拟图中寻找最大带权团问题。我们同时理论分析了传感器节点的睡眠概率以及无线丢包率对网络编码收益的影响,并给出一个有效阈值来判断当前的睡眠调度机制是否能节省基于网络编码的数据分发策略的能耗。最后,模拟结果表明,本文提出的基于网络编码的策略能减少整个数据分发过程所需要的传输次数。(3)基于地理信息的K任意组播路由协议的设计在多基站的无线传感器网络中,传感器节点可能需要将自己观察到的数据发给所有N个基站中的任意K个。对于该传输模式,传统的单播,多播等均不能很好的支持。本文提出了一个基于地理信息的K任意组播路由协议,旨在将数据包从源节点有效地传输给所有N个目标节点中的任意K个。为了成功到达K个目标节点,本文提出了基于迭代的路由算法。在每轮路由中,当前节点不仅需要选择下一跳节点还需要决定每个下一跳节点需要寻找的目标节点的个数。我们将该下一跳节点选择问题转化成在一个虚拟图中寻找最小费用最大流问题。最后,我们分析了所提出的路由机制在每个中间节点处的算法复杂度以及整个路由为找到K个目标节点所需要的轮数的期望值。实验结果表明了所提出的算法在延迟,通信代价上均优于已有的传输机制。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 无线传感器网络的背景知识
• 1.1.1 传感器节点的组成
• 1.1.2 传感器网络的体系结构及特征
• 1.1.3 传感器网络的应用
• 1.1.4 传感器网络研究的热点问题
• 1.2 本文的研究背景
• 1.2.1 传感器网络中基于能量控制的研究背景
• 1.2.2 本文的研究背景
• 1.3 本文的主要研究内容
• 1.4 本文的组织
• 第2章 无线传感器网络中面向服务组合的路由设计
• 2.1 绪论
• 2.2 网络架构
• 2.3 问题描述
• 2.4 算法设计与分析
• 2.4.1 最小化服务组合路由的总个数
• 2.4.2 最小化总的服务组合路由代价
• 2.5 实验结果
• 2.6 本章总结
• 第3章 无线传感器网络中基于网络编码的数据分发策略
• 3.1 绪论
• 3.1.1 问题描述
• 3.1.2 相关工作
• 3.2 问题模型与复杂度
• 3.2.1 问题模型
• 3.2.2 问题复杂度
• 3.3 算法描述
• 3.3.1 模型设计
• 3.3.2 算法设计
• 3.4 性能分析
• 3.4.1 丢包率以及睡眠调度机制对网络编码收益的影响
• 3.4.2 睡眠调度机制对能量损耗的影响
• 3.5 实验结果
• 3.5.1 不同数据分发策略的比较
• 3.5.2 网络编码收益的理论比较
• 3.5.3 睡眠调度机制对节省能耗的影响
• 3.5.4 阈值α对延迟以及所需要的传输次数的影响
• 3.6 本章总结
• 第4章 无线传感器网络中基于地理信息的 K 任意组播路由
• 4.1 问题描述
• 4.2 相关工作
• 4.3 问题模型
• 4.3.1 网络模型及问题定义
• 4.3.2 存在问题
• 4.4 GKAR 协议的概述
• 4.4.1 存在问题
• 4.4.2 主要模块
• 4.4.3 中间节点的操作
• 4.4.4 源节点的操作
• 4.5 下一跳节点的选择
• 4.5.1 问题描述
• 4.5.2 虚拟图构建
• 4.5.3 NSDA 问题的算法描述
• 4.5.4 ENSDA 问题的算法描述
• 4.6 目标节点集合的划分
• 4.7 修复过程
• 4.8 性能分析
• 4.8.1 GKAR 的复杂度
• 4.8.2 GKAR 路由轮数的期望值
• 4.9 实验结果
• 4.9.1 考察M / D 对所需轮数的影响
• 4.9.2 找到K 目标节点所消耗的延迟
• 4.9.3 通信代价
• 4.9.4 网络节点的存活期
• 4.10 本章总结
• 第5章 总结
• 5.1 本文的研究内容和成果
• 5.2 将来进一步工作
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果