本文關(guān)鍵詞：新型高效協(xié)作式移動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《北京郵電大學(xué)》 2012年

新型高效協(xié)作式移動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究

丁杰  

【摘要】：物聯(lián)網(wǎng)被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后,世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮。作為物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks, WSNs)近年來(lái)受到越來(lái)越多研究者的關(guān)注。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是大量的傳感器通過(guò)無(wú)線通信的方式,相互聯(lián)系、處理、傳遞信息的網(wǎng)絡(luò),可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境信息或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息,并對(duì)這些信息進(jìn)行處理、傳送給所需用戶。然而由于傳感器節(jié)點(diǎn)有體積、成本等方面的限制,多數(shù)情況下傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)都是由電池供電,電池容量有限,且在很多應(yīng)用中不可能更換電池,因此,如何節(jié)省能耗并延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。 為此,很多能量高效的新技術(shù)被提出用于節(jié)能和延長(zhǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命。特別地,傳感器節(jié)點(diǎn)的無(wú)線通信傳輸能耗是傳感器節(jié)點(diǎn)能耗的主要部分。因此,近年來(lái)一個(gè)新的研究趨勢(shì)是在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能設(shè)計(jì)中引入一些先進(jìn)的物理層傳輸技術(shù),例如虛擬多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Out, MIMO)技術(shù)。另外,移動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于在網(wǎng)絡(luò)中增加了移動(dòng)性,能通過(guò)短距離無(wú)線通信來(lái)節(jié)省能量,利用移動(dòng)性進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)新的研究領(lǐng)域。 本文針對(duì)面向監(jiān)測(cè)的農(nóng)業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、信息簡(jiǎn)單且允許有一定時(shí)延的特點(diǎn),從節(jié)省能耗的角度對(duì)基于虛擬MIMO的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能技術(shù)和基于移動(dòng)性的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能技術(shù)進(jìn)行了深入研究,主要闡述了新型高效的協(xié)作式節(jié)能傳輸方案設(shè)計(jì)和基于移動(dòng)Sink的節(jié)能數(shù)據(jù)收集算法設(shè)計(jì)。論文首先從傳感器節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)出發(fā),論述了基于虛擬MIMO技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(mobile Wireless Sensor Networks, mWSN)的技術(shù)背景,并對(duì)移動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究進(jìn)行了分類總結(jié)。隨后分別針對(duì)能量高效的虛擬V-BLAST傳輸方案、基于STBC空時(shí)編碼的虛擬MIMO傳輸方案、基于移動(dòng)Sink的數(shù)據(jù)收集節(jié)能算法設(shè)計(jì)等幾方面進(jìn)行了研究。本文的主要研究?jī)?nèi)容與貢獻(xiàn)如下： 第一,針對(duì)隨機(jī)布設(shè)在農(nóng)林間的大量傳感器節(jié)點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)具有很大冗余度,以及數(shù)據(jù)收集基站一般都布設(shè)在監(jiān)測(cè)區(qū)域外且能量和體積不受限的特點(diǎn),提出了一種用于能量受限無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基于簇的虛擬MIMO傳輸架構(gòu)。在這個(gè)架構(gòu)中,不使用簇成員,而是使用多個(gè)簇頭形成虛擬天線陣以便使用MIMO傳輸技術(shù)。通過(guò)把基于V-BLAST的MIMO技術(shù)融合進(jìn)簇頭協(xié)作傳輸架構(gòu),提出了一種基于V-BLAST的簇頭協(xié)作傳輸方案VCHCT (V-BLAST based Cluster Heads Cooperative Transmission)。該研究對(duì)V-BLAST系統(tǒng)的去相關(guān)決策反饋檢測(cè)器的平均誤比特率進(jìn)行了分析,并建立了VCHCT方案的總能耗模型,并對(duì)VCHCT方案的總能耗與傳統(tǒng)LEACH協(xié)議的總能耗進(jìn)行了對(duì)比。最后通過(guò)仿真對(duì)理論分析的結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證,可以看出,由于使用了虛擬V-BLAST傳輸, VCHCT方案比傳統(tǒng)LEACH (Low-energy Adaptive Clustering Hierarchy)協(xié)議節(jié)省能耗并能有效地延長(zhǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命。 第二,在簇頭協(xié)作傳輸架構(gòu)基礎(chǔ)上,把基于STBC空時(shí)編碼的虛擬MIMO技術(shù)與簇頭協(xié)作傳輸架構(gòu)相結(jié)合,提出了一種適用于分簇?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基于STBC空時(shí)編碼的虛擬MIMO節(jié)能傳輸方案SCHCT (STBC based Cluster Heads Cooperative Transmission)。通過(guò)對(duì)基于STBC空時(shí)編碼的MIMO系統(tǒng)的誤碼率分析,在單位比特通信能耗模型基礎(chǔ)上建立了SCHCT方案的整體能耗模型。通過(guò)與傳統(tǒng)LEACH協(xié)議的能耗進(jìn)行對(duì)比與仿真分析,可以看出,當(dāng)基站距離傳感器監(jiān)測(cè)區(qū)域較近時(shí),SCHCT方案的能量消耗比傳統(tǒng)的LEACH要高；而當(dāng)基站離傳感器監(jiān)測(cè)區(qū)域較遠(yuǎn)時(shí),SCHCT方案相比LEACH能極大節(jié)省能量消耗,并延長(zhǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命。 第三,和LEACH相比,VCHCT方案和SCHCT方案都更加能量高效,但如果同時(shí)考慮兩個(gè)方案中不同傳輸技術(shù)的節(jié)能特性和SCHCT方案的簇頭節(jié)點(diǎn)間額外的通信能量開(kāi)銷,就不能確定哪一種方案更加節(jié)能。該研究在相同的誤碼率性能和相同的節(jié)點(diǎn)傳輸速率條件下對(duì)VCHCT方案和SCHCT方案的能耗特性進(jìn)行了詳細(xì)的比較分析。理論分析和仿真結(jié)果表明,當(dāng)基站距離無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)區(qū)域較遠(yuǎn)時(shí),即使考慮到SCHCT方案中額外的簇頭間通信能量消耗,SCHCT方案仍然比VCHCT方案和LEACH方案都能極大地節(jié)省能量；當(dāng)基站距離無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)區(qū)域相對(duì)較近時(shí),VCHCT方案比SCHCT方案和LEACH方案都更加高效,是最佳的選擇。 第四,時(shí)延較大是移動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問(wèn)題之一,已有相關(guān)工作在減少移動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)時(shí)延方面取得了一定成效,但對(duì)于規(guī)模較大的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)這些方法還是不能滿足要求；另外,目前已有的研究把移動(dòng)路徑規(guī)劃和普通節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的路由分開(kāi)考慮,而沒(méi)有綜合考慮匯聚節(jié)點(diǎn)選取、普通節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)路由以及移動(dòng)路徑之間的關(guān)系。針對(duì)此問(wèn)題,并結(jié)合農(nóng)業(yè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大、數(shù)據(jù)允許有一定時(shí)延的特性,該研究提出了一種基于移動(dòng)Sink和匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收集方案。在這個(gè)方案的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種聯(lián)合考慮節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)路由和移動(dòng)Sink路徑的啟發(fā)式算法。該算法在保證數(shù)據(jù)時(shí)延性要求的條件下,減少了傳感器節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸,從而達(dá)到節(jié)省能耗并延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命的目的。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：TN929.5;TP212.9
【目錄】：

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【參考文獻(xiàn)】

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6 駱吉安;柴利;;無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的滾動(dòng)時(shí)域狀態(tài)估計(jì)方法[A];第二十六屆中國(guó)控制會(huì)議論文集[C];2007年

7 曹芳菲;何文麟;陳紅;;無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于預(yù)測(cè)的Top-k監(jiān)測(cè)(英文)[A];第二十五屆中國(guó)數(shù)據(jù)庫(kù)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（一）[C];2008年

8 袁蕊;;基于礦井節(jié)能的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議的研究[A];煤礦自動(dòng)化與信息化——第20屆全國(guó)煤礦自動(dòng)化與信息化學(xué)術(shù)會(huì)議暨第2屆中國(guó)煤礦信息化與自動(dòng)化高層論壇論文集[C];2010年

9 潘恒曦;辛旺;范蟠果;;Zigbee在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用[A];2010年西南三省一市自動(dòng)化與儀器儀表學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2010年

10 邢佩龍;徐久強(qiáng);趙海;田鶴;;無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的模糊質(zhì)心算法[A];第八屆沈陽(yáng)科學(xué)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2011年

中國(guó)重要報(bào)紙全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 美國(guó)專利律師 譚文曄　薛之揚(yáng);[N];科技日?qǐng)?bào);2010年

2 本報(bào)記者 趙建國(guó);[N];中國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)報(bào);2011年

3 溫雅路;[N];人民郵電;2008年

4 賽迪顧問(wèn)信息產(chǎn)業(yè)研究中心高級(jí)咨詢師 王坤;[N];通信產(chǎn)業(yè)報(bào);2009年

5 本報(bào)記者 姚傳富;[N];人民郵電;2009年

6 沈建苗　編譯;[N];計(jì)算機(jī)世界;2010年

7 卞 輯;[N];中國(guó)氣象報(bào);2011年

8 ;[N];計(jì)算機(jī)世界;2004年

9 羅清岳;[N];電子資訊時(shí)報(bào);2007年

10 記者 陸成鋼　通訊員 尚曉天;[N];嘉興日?qǐng)?bào);2009年

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 姜宇;基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程抄表關(guān)鍵技術(shù)研究[D];吉林大學(xué);2011年

2 趙寶康;無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)隱私保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)研究[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2009年

3 羅丹彥;無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量高效組建關(guān)鍵技術(shù)的研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2009年

4 畢嘉娜;無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量有效安全路由協(xié)議研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2009年

5 周彥;無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于量化信息的目標(biāo)狀態(tài)估計(jì)與融合[D];上海交通大學(xué);2010年

6 谷雨;無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中目標(biāo)覆蓋的研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2010年

7 馬永波;無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)精確動(dòng)態(tài)定位及其安全性問(wèn)題研究[D];吉林大學(xué);2010年

8 李哲濤;多媒體無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中若干算法研究[D];湖南大學(xué);2010年

9 李玉凱;無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)高能效可靠數(shù)據(jù)傳輸理論及應(yīng)用研究[D];華北電力大學(xué)（北京）;2011年

10 周益明;基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室群監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[D];浙江大學(xué);2009年

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 唐健華;無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)優(yōu)化覆蓋的研究[D];南京郵電大學(xué);2011年

2 蔡殷;基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的光強(qiáng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D];華中科技大學(xué);2009年

3 黃衍璽;基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D];南京航空航天大學(xué);2009年

4 張濤;基于北斗系統(tǒng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)定位算法研究[D];東北大學(xué);2008年

5 楊鳳偉;無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋算法研究[D];南京郵電大學(xué);2011年

6 龔靜;無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中基于壓縮感知技術(shù)的數(shù)據(jù)壓縮方法研究[D];西南交通大學(xué);2011年

7 孫艷紅;無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)田溫濕度信息采集中的構(gòu)建與應(yīng)用[D];河南農(nóng)業(yè)大學(xué);2010年

8 羅勇橋;油水井無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究與實(shí)現(xiàn)[D];上海交通大學(xué);2011年

9 羅強(qiáng);水下無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的部署研究[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2011年

10 周沖;無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)融合技術(shù)研究[D];江南大學(xué);2012年

  本文關(guān)鍵詞：新型高效協(xié)作式移動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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本文編號(hào)：211644