无线传感器网络的网内数据聚集关键技术研究

论文摘要

无线传感器网络是一种新兴的,但极具发展潜力的网络技术,作为沟通客观物理世界和主观感知世界的载体与桥梁,无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术,是信息感知和采集的一场革命。数据聚集技术是无线传感器网络技术的基础,是网络支撑技术的重要组成,是收集传感器节点所在监测区域的物理信息,并在无线传感器网络内部将数据向上传递的一项融合性技术。本论文针对无线传感器网络数据聚集技术的研究内容主要从空间和时间两个方面考虑,提出从数据感知到网络协议的多个层面的计算模型和数据聚集方案。主要创新点如下：(1)根据无线传感器网络中最为普遍的传感器节点感知模式,在数据感知层分析感知数据的相关特性,提出一种计算复杂度低、参数可配置的基于空间位置的传感器节点感知数据相关度计算模型,实现了不同空间位置的传感器节点之间感知数据的相关度的快速计算,适用于多种数据处理手段,能够为网络中的协议设计、路由规划、数据压缩策略等实现方案提供相关度参量。通过仿真实验验证了该模型针对全向布尔感知模式的准确性和有效性。(2)利用感知数据之间的相关度模型,提出了基于空间位置和时间间隔的汇聚数据失真系统结构和分析方法,并以网络能够容忍的汇聚数据最大失真为条件,推导出两个网络最优配置参数,即簇内最优传感器节点数量和传感器节点向汇聚节点汇报感知数据的最优频率,能够消除无线传感器网络中由于传感器节点自身硬件特性及感知模式差异造成的数据聚集过程中的感知层失真。通过仿真实验验证了相关度模型以及不同网络配置参数对失真程度的影响。(3)提出了无线传感器网络中采用发布／订阅机制的数据聚集新的系统体系及工作模式,提出了数据交互流程、信息格式定义及总体软件架构,能够快速、精确、高效地将大量数据过滤和发送给多个用户,提高感知信息的数据粒度,减少无用数据的发送,提高能量有效性,保证用户智能便捷的获取无线传感器网络感知数据。(4)利用由汇聚数据失真分析得到的最优网络配置参数,提出了一种适用于发布/订阅机制的无线令牌环媒体接入控制协议,从根本上消除了数据碰撞,实现了网络调度的及时调整及灵活的网络接入控制,提高了网络的业务区分性和能量有效性,通过仿真实验验证了该媒体接入控制协议的能量有效性、时延特性及网络吞吐量特性的优越性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 无线传感器网络概述
• 1.1.1 无线传感器网络的特征
• 1.1.2 无线传感器网络关键技术
• 1.2 数据聚集技术现状及分析
• 1.2.1 空间策略的数据聚集
• 1.2.2 时机控制的数据聚集
• 1.2.3 其他数据聚集技术
• 1.2.4 数据聚集技术的网络性能指标
• 1.3 论文研究内容和创新点
• 1.3.1 基于空间和时间的无线传感器网络感知数据相关度
• 1.3.2 基于空间和时间的无线传感器网络数据聚集失真分析
• 1.3.3 基于发布/订阅的无线传感器网络数据聚集机制
• 1.3.4 基于发布/订阅机制的无线传感器网络MAC算法
• 1.4 论文章节安排
• 本章参考文献
• 第二章 普适性数据聚集系统模型、感知模型及相关度模型
• 2.1 普适性数据聚集系统模型
• 2.2 传感器节点感知模型
• 2.3 数据相关度模型
• 2.3.1 基于空间位置的事件相关度计算方法
• 2.3.2 基于空间位置的感知数据相关度计算方法
• 2.3.3 基于时间传感器节点感知数据相关度计算方法
• 2.4 实验与仿真
• 2.4.1 模型性能分析
• 2.4.2 模型应用仿真
• 2.5 本章小结
• 本章参考文献
• 第三章 基于空间位置和时间间隔的汇聚数据失真分析
• 3.1 基于空间位置的汇聚数据失真分析
• 3.1.1 规则网络部署的失真分析
• 3.1.2 随机网络部署的失真分析
• 3.2 基于时间间隔的汇聚数据失真分析
• 3.3 实验与仿真
• 3.3.1 基于空间位置的失真仿真
• 3.3.2 基于时间间隔的失真仿真
• 3.4 本章小结
• 本章参考文献
• 第四章 基于发布/订阅的数据聚集机制及MAC协议
• 4.1 基于发布/订阅的数据聚集机制
• 4.1.1 发布/订阅在无线传感器网络中的国内外研究现状
• 4.1.2 基于发布/订阅的数据聚集系统
• 4.2 基于发布/订阅数据聚集机制的MAC协议
• 4.2.1 MAC协议需求分析
• 4.2.2 MAC协议媒体接入控制过程
• 4.3 性能分析
• 4.3.1 能量特性分析
• 4.3.2 时延性能分析
• 4.3.3 网络吞吐量分析
• 4.4 实验与仿真
• 4.4.1 能量特性仿真
• 4.4.2 时延性能分析
• 4.4.3 网络吞吐量性能分析
• 4.5 本章小结
• 本章参考文献
• 第五章 智能电网中无线传感器网络数据聚集应用研究
• 5.1 面向智能电网的无线传感器网络架构
• 5.2 面向智能电网配变电设备监测系统的数据聚集技术
• 5.2.1 感知层方案
• 5.2.2 网络协议层方案
• 5.3 本章小结
• 本章参考文献
• 第六章 总结与展望
• 缩略语表
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文和专利