延迟容忍无线传感器网络中的动态数据收集技术及其研究

论文摘要

无线传感器网络在众多领域有着广阔的应用前景，它被认为是二十一世纪最重要的技术之一，已经成为近年来学术界的研究热点。数据收集是大多数无线传感器网络应用的基本功能。目前通用的数据信息收集方法是通过在一定的地理范围内放置大量的体积小、价格低廉、电池能量低以及功率低的传感器节点以形成一个相互连通的无线网状网络，其中每个节点都可以与一个或者多个其他节点协作，将测量的环境参数或者收集的数据传输给汇聚点（Sink）进行处理。然而在实际环境中情况并非如此，传感器节点的随机部署，传感器节点的通信范围通常较小，传感器节点的能量较低以及传感器节点的随机运动等情况都可能导致网络产生分割。因此网络可能并非总是全连通的，网络的连通性可能随着时间而变化，此特点称之为间断连通性（intermittent connectivity）。间断连通性是延迟容忍网络DTN（Delay Tolerant Network）的主要特点，而具有间断连通性的无线传感器网络则称为延迟容忍无线传感器网络DTSN1（DelayTolerant Sensor Network）。如果DTSN中传感器节点是运动的，这种延迟容忍无线传感器网络则被称为延迟容忍移动无线传感器网络DTMSN（Delay TolerantMobile Sensor Networks）。由于DTSN的间断连通特性，传统传感器网络的数据收集技术在DTSN中并不适用。为此，本文在对DTSN的研究现状和应用领域进行全面的分析和总结的基础上，根据DTSN的特性，深入细致的研究了DTSN的动态数据收集技术，主要探讨了以下问题：1)在DTMSN的间断连通环境中，如何把传感器节点采集的数据尽量汇集到汇聚点?2)在DTSN网络中，如何进行数据信息的分类传输?即如何根据采集到的数据信息的种类，把它们分别传送给各自感兴趣的订阅者?3)如何以较低的能量开销和较高的数据传输成功率实现DTMSN环境下的动态数据分类传输和处理?并取得了如下创新性研究成果：1．提出了一种基于选择复制的动态数据传输策略SRAD（SelectiveReplication-based Adaptive Data Delivery Scheme）。其基本思想是把数据消息动态的复制给更有可能与汇聚点通信的传感器节点以达到尽量增大传输成功率和降低传输能耗的目的。SRAD由数据传输和队列管理两个主要部分组成。前者首先通过Random Waypoint随机运动模型计算出不同时刻各传感器节点的传输概率，即传感器节点把消息传递给汇聚点的可能性，而后根据此传输概率的大小选择下一跳节点并进行数据消息的复制传输。队列管理则利用消息的生存时间ST值（SurvivalTime）决定队列中消息的重要程度和丢弃原则。仿真分析和实验表明，与现有的几种DTMSN数据传输策略相比，SRAD的网络寿命相对较长，且它能以较低的数据传输能耗和传输延迟获得较高的数据传输成功率。2．给出了DTSN中面向团体（community）的发布／订阅系统模型，把网络中的传感器节点分成若干个相对独立的团体，并提出了一种基于团体的DTSN网络发布／订阅系统（publish／subscribe，简称pub／sub）事件传输协议CET（Community-based Event Transmitting protocol）。CET由事件传输和队列管理两部分组成，在事件传输策略中，我们除了尽量把事件传递给移动订阅者之外，还将移动订阅者保存的某些事件回传给团体内的传感器节点以提高事件的传输成功率。队列管理则根据事件的成功传输次数和生存时间来共同决定存储队列中事件的重要程度和丢弃原则，以降低网络传输能耗。仿真分析表明，与直接收集DG（Direct Gathering）相比，CET有效平衡了传感器节点的传输能耗和网络的事件传输成功率，即CET能以较低的事件传输能耗和传输延迟获得较高的事件传输成功率。3．提出了DTMSN中基于人与人通信的动态发布／订阅系统通信协议GAPC（Group-based Adaptive Publish／subscribe Communication Protocol）。GAPC的核心思想是根据人们的相遇次数和相遇时间特征把监测区域的人分为若干个社团（Group），并在每个社团中选举一个能量最大的传感器节点担当本社团的头节点，之后基于社团进行发布／订阅通信。GAPC协议由事件传输和队列管理两部分组成，事件传输策略中，除了社团中传感器节点保存的事件尽量传输给订阅者外，每当移动订阅者和它所在社团外的传感器节点相遇时，订阅者存储队列中满足某些条件的事件还要传输给这些传感器节点以提高事件的传输成功率。并且为了防止事件泛洪，还规定了这些事件回传的最大次数。队列管理则通过事件的生存时间ST（Survival Time）值决定队列中消息传递的优先顺序和丢弃原则，以进一步降低网络传输能耗。仿真实验验证了GAPC的优异性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 无线传感器网络概述
• 1.1.1 无线传感器网络的研究意义
• 1.1.2 无线传感器网络的概念及其体系结构
• 1.1.3 无线传感器网络的功能层划分及协议栈结构
• 1.1.4 无线传感器网络的特点和应用
• 1.1.5 无线传感器网络的数据传送模型
• 1.2 延迟容忍网络DTN（DELAY TOLERANT NETWORKS）概述
• 1.2.1 DTN的研究背景
• 1.2.2 DTN的特性
• 1.2.3 DTN网络关键技术与相关研究成果
• 1.2.4 DTN的发展趋势和应用前景
• 1.3 本文的选题背景和主要工作
• 1.3.1 选题背景
• 1.3.2 论文的主要工作
• 1.3.3 论文的组织结构
• 第二章 相关数据收集技术的研究现状
• 2.1 传统无线传感器网络数据收集的路由技术研究现状
• 2.1.1 平面路由协议
• 2.1.2 分簇路由协议
• 2.2 DTSN中数据收集的研究现状
• 2.3 发布/订阅（PUB/SUB）系统路由技术的研究现状
• 第三章 延迟容忍移动无线传感器网络中基于选择复制的数据传输策略
• 3.1 引言
• 3.2 网络模型和问题描述
• 3.2.1 网络模型
• 3.2.2 问题描述
• 3.3 SRAD策略的设计实现
• 3.3.1 数据传输
• 3.3.1.1 根据运动模型计算节点的传输概率
• 3.3.1.2 数据传输算法
• 3.3.2 队列管理机制
• 3.3.2.1 计算消息的生存时间
• 3.3.2.2 队列管理的实现
• 3.4 模拟实验和性能分析
• 3.4.1 四种算法的性能比较
• 3.4.2 通信半径对性能的影响
• 3.4.3 节点密度对性能的影响
• 3.4.4 节点运动速度对性能的影响
• 3.4.5 存储队列长度对性能的影响
• 3.4.6 网络寿命分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 CET:DTSN中面向发布/订阅系统的有效事件传输协议
• 4.1 引言
• 4.2 网络模型和问题分析
• 4.2.1 网络模型和基本假设
• 4.2.2 问题分析
• 4.3 基于团体的发布/订阅系统事件传输协议（CET）的设计
• 4.3.1 团体头的选择
• 4.3.2 基于团体的事件传输
• 4.3.2.1 移动订阅者的事件收集
• 4.3.2.2 事件的回传
• 4.3.3 队列管理
• 4.4 仿真实验和性能分析
• 4.4.1 仿真环境
• 4.4.2 性能对比
• 4.4.3 订阅者运动速度对性能的影响
• 4.4.4 节点的密度对性能的影响
• 4.4.5 节点的通信范围对性能的影响
• 4.4.6 网络寿命分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 GAPC:DTMSN中基于社团的动态发布/订阅通信协议
• 5.1 引言
• 5.2 网络模型和问题分析
• 5.2.1 网络模型
• 5.2.2 问题分析
• 5.3 基于社团的动态发布/订阅通信协议GAPC的设计实现
• 5.3.1 社团发现算法
• 5.3.1.1 社团的初始化算法
• 5.3.1.2 社团头节点的选择
• 5.3.1.3 社团的更新
• 5.3.2 发布/订阅通信过程
• 5.3.2.1 订阅者的订阅
• 5.3.2.2 事件的发布和传输
• 5.3.3 队列管理
• 5.3.3.1 计算事件的生存时间
• 5.3.3.2 队列管理机制
• 5.4 仿真实验和性能分析
• 5.4.1 仿真环境
• 5.4.2 社团发现算法分析
• 5.4.3 性能比较
• 5.4.4 节点运动速度对性能的影响
• 5.4.5 节点的密度对性能的影响
• 5.4.6 节点通信半径对性能的影响
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻博期间发表论文、科研工作及获奖情况