【摘要】：低占空比無線傳感網(wǎng)(Low-duty-cycle wireless sensor networks,簡稱LDC-WSN)是一種新型的分布式自組織網(wǎng)絡(luò),由大量能力有限(通信、存儲和計算等)的節(jié)點構(gòu)成,通常部署在人類難以進(jìn)入的惡劣環(huán)境中執(zhí)行長期的監(jiān)測或跟蹤任務(wù)。LDC-WSN可廣泛應(yīng)用于國防、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域,具有重大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。與傳統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)(Wireless sensor networks,簡稱WSN)不同,LDC-WSN中節(jié)點大部分時間處于睡眠狀態(tài),只在少量時刻醒來以進(jìn)行數(shù)據(jù)的感知和通信工作。數(shù)據(jù)采集是LDC-WSN中的重要工作,它的目標(biāo)是盡快將節(jié)點感知到的數(shù)據(jù)傳送給用戶進(jìn)行處理。但是,由于網(wǎng)絡(luò)中任意時刻大量節(jié)點處于睡眠狀態(tài),無法實時接收和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),使得數(shù)據(jù)采集的延遲較大。此外,LDC-WSN處于惡劣的環(huán)境,存在通信不可靠、節(jié)點容易損毀等情況。其中,通信不可靠會導(dǎo)致數(shù)據(jù)通信發(fā)生大量重傳,耗費大量的能量和時間,而節(jié)點損毀會導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。如何在LDC-WSN中實現(xiàn)快速、可靠且節(jié)能的數(shù)據(jù)采集是一個具有挑戰(zhàn)性的難題。本文針對低占空比無線傳感網(wǎng)中的數(shù)據(jù)采集關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究,旨在設(shè)計出在實際應(yīng)用中具有較高的健壯性、能量有效性和延遲性能的數(shù)據(jù)采集方案。本文的主要研究內(nèi)容包括:(1)無固定Sink的低占空比無線傳感網(wǎng)中快速的數(shù)據(jù)保存機(jī)制。低占空比無線傳感網(wǎng)中節(jié)點長時間處于睡眠狀態(tài),能夠大大節(jié)省能耗并延長網(wǎng)絡(luò)生命周期,但是這樣會產(chǎn)生較大的數(shù)據(jù)傳輸延遲。而對于部署在惡劣環(huán)境中的網(wǎng)絡(luò),通常沒有固定Sink相連。節(jié)點為了防止突然被外力損害而丟失數(shù)據(jù),需要盡快將感知的數(shù)據(jù)發(fā)送到其他節(jié)點上進(jìn)行保存,這與網(wǎng)絡(luò)延遲的特性產(chǎn)生了嚴(yán)重的矛盾。已有的數(shù)據(jù)保存協(xié)議沒有考慮節(jié)點睡眠所導(dǎo)致的延遲,很難在無固定Sink的低占空比無線傳感網(wǎng)中快速完成數(shù)據(jù)分發(fā)及存儲。本文提出了一個完全分布式的快速數(shù)據(jù)保存機(jī)制FDP(Fast Data Preservation),不僅可以以低延遲完成數(shù)據(jù)分發(fā),而且能使節(jié)點在有限的存儲空間內(nèi)完成數(shù)據(jù)的編碼保存。數(shù)據(jù)保存完成后,一個移動Sink只要在任意時間和地點進(jìn)入網(wǎng)絡(luò),訪問一部分仍然存活的節(jié)點,就可以恢復(fù)出全部的源數(shù)據(jù)。理論分析和仿真實驗表明,FDP不僅能夠比已有協(xié)議更快地完成數(shù)據(jù)保存,并且能量更有效。(2)移動低占空比無線傳感網(wǎng)中低延遲的數(shù)據(jù)持續(xù)性提高算法。在移動低占空比傳感器網(wǎng)絡(luò)中,由于節(jié)點的存儲空間有限,并且節(jié)點的移動及睡眠會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)不連通、數(shù)據(jù)無法及時傳輸?shù)葐栴},使得數(shù)據(jù)很難被快速分發(fā)并存儲,數(shù)據(jù)持續(xù)性較低。為此,提出一種分布式的數(shù)據(jù)持續(xù)性提高算法(LT-MDS),該算法采用一個新的傳染病式數(shù)據(jù)分發(fā)方法來在節(jié)點不斷移動的網(wǎng)絡(luò)中分發(fā)數(shù)據(jù),使數(shù)據(jù)能以較低的延遲被網(wǎng)絡(luò)中絕大部分節(jié)點接收到,提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性;節(jié)點在接收到數(shù)據(jù)的同時,利用LT碼(Luby transform codes)對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼存儲,使得容量有限的節(jié)點可以保存更多的數(shù)據(jù)信息。理論分析和仿真實驗表明,LT-MDS算法能夠以低延遲完成數(shù)據(jù)分發(fā)和存儲,同時獲得較高的數(shù)據(jù)持續(xù)性。(3)低占空比無線傳感網(wǎng)中分布式的環(huán)狀流水線工作調(diào)度。低占空比無線傳感網(wǎng)中節(jié)點的長時間睡眠會導(dǎo)致數(shù)據(jù)查詢延遲的增加,影響應(yīng)用的效果。如何調(diào)度節(jié)點的喚醒時間從而最小化延遲,是一個難解的組合優(yōu)化問題。本文提出一個分布式的環(huán)狀流水線調(diào)度算法,能挑選能量水平高的節(jié)點,在數(shù)據(jù)查詢的發(fā)起節(jié)點和目標(biāo)節(jié)點之間,構(gòu)建一條長度盡可能短的路徑。路徑上的節(jié)點將按照流水線調(diào)度依次喚醒,不用長時間等待即可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。理論分析和實驗結(jié)果表明,算法不僅能獲得較低的延遲,而且具有更長的網(wǎng)絡(luò)生命周期。(4)不可靠通信下低占空比無線傳感網(wǎng)中低沖突的分布式多流水線調(diào)度。低占空比無線傳感網(wǎng)可以部署在惡劣的環(huán)境中執(zhí)行長期的監(jiān)測任務(wù),具有廣泛的應(yīng)用前景。但是,它與傳統(tǒng)的傳感網(wǎng)不同,節(jié)點會長期睡眠以節(jié)省能量,使得數(shù)據(jù)收集延遲較長。為了降低延遲,已有工作主要采用多流水線調(diào)度來調(diào)整節(jié)點喚醒的時刻,讓多條數(shù)據(jù)傳輸路徑上的節(jié)點依次醒來,使得數(shù)據(jù)可以在盡量短的時間內(nèi)完成傳輸。但是,它們普遍沒有考慮節(jié)點的通信沖突和能量均衡,導(dǎo)致多個節(jié)點會選擇通信質(zhì)量最好的同一個節(jié)點作為下一跳,沖突較高且使該節(jié)點能耗較高。為了解決這個問題,該文提出一個分布式的低沖突多流水線調(diào)度算法,綜合考慮節(jié)點間的通信質(zhì)量、節(jié)點的能量水平、節(jié)點的負(fù)載等因素,盡量避免多個節(jié)點選擇同一個下一跳節(jié)點,然后再進(jìn)行調(diào)度。理論分析和仿真實驗表明,該算法執(zhí)行完后,網(wǎng)絡(luò)可以獲得更短的數(shù)據(jù)收集延遲和更長的生命周期。總體而言,本文對低占空比無線傳感網(wǎng)中的數(shù)據(jù)采集關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入地研究,提出了具有更低延遲、更高能量有效性并且可靠的算法,具有較好的應(yīng)用價值和理論意義。
【圖文】：

2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)LDC-WSN 通常由大量傳感器節(jié)點（簡稱節(jié)點）自組織構(gòu)成，節(jié)點在感知到監(jiān)測后，將通過短距離通信與其他節(jié)點相互協(xié)作，協(xié)同地將數(shù)據(jù)傳送給匯聚節(jié)點（也稱k 節(jié)點），并由 Sink 節(jié)點將數(shù)據(jù)傳送給用戶。在實際應(yīng)用中，根據(jù) Sink 節(jié)點是否固定部署，可以將 LDC-WSN 的結(jié)構(gòu)分為 2型：Sink 節(jié)點固定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和 Sink 節(jié)點移動的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這 2 種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分別介紹如下：（1）Sink 節(jié)點固定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在該結(jié)構(gòu)中，Sink 節(jié)點往往被固定部署在網(wǎng)絡(luò)的邊緣或中心位置，而網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)通過一定的路由結(jié)構(gòu)，如：樹型結(jié)構(gòu)、鏈型結(jié)構(gòu)、簇狀結(jié)構(gòu)等，將數(shù)據(jù)傳送給 S點。網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖 1-1 所示。Sink 節(jié)點傳感器節(jié)點

第一章 緒論靠安裝在飛機(jī)或汽車上的移動 Sink 來完成。移動 Sink 不是每時每刻都與 LDC-WS，它一般是定期訪問 LDC-WSN。而節(jié)點感知到數(shù)據(jù)后，不能馬上把數(shù)據(jù)傳輸給 Si，為了避免受到外力破壞損毀而丟失數(shù)據(jù)，需要發(fā)送到其他節(jié)點進(jìn)行保存。由于存儲能力有限，無法存儲大量數(shù)據(jù)，因此在存儲數(shù)據(jù)時需要利用網(wǎng)絡(luò)編碼對數(shù)據(jù)合后存儲。Sink 節(jié)點移動的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，，如圖 1-2 所示。移動 Sink傳感器節(jié)點
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN929.5;TP212.9;TP274.2

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 梁俊斌;李陶深;;無線傳感網(wǎng)中基于自適應(yīng)概率廣播的數(shù)據(jù)保存[J];計算機(jī)研究與發(fā)展;2012年10期

2 王慶文;史浩山;程偉;趙洪鋼;;一種基于跨層設(shè)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)概率廣播策略[J];傳感技術(shù)學(xué)報;2010年07期

本文編號：2694395