本文關鍵詞： 無線自組網 網絡完整性 全局優(yōu)化 基站部署 動態(tài)能量平衡　出處：《吉林大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：隨著半導體制造業(yè)和無線通信技術的發(fā)展,具有良好經濟效益的微型傳感器無線通信裝置更能順應當前地震勘探儀器向著大規(guī)模、全數字化和高實時性發(fā)展的趨勢。然而,現有的地震勘探布線系統在復雜地質條件下表現出施工效率低、成本高昂以及勘測靈活性差等問題。因此,無線通信技術在地震勘探儀器中的應用已經成為當前地震勘探裝備最主要的發(fā)展方向,成為一個具有挑戰(zhàn)性的全新研究領域。自無線通信技術與地震勘探技術結合至今,地震勘探儀器用于無線數據傳輸的節(jié)能設計及路由算法一直是研究熱點,受到地震探測儀器研究人員的廣泛關注。本文將吉林大學國家地球物理探測儀器工程技術研究中心自主研發(fā)的無纜自定位地震儀作為無線網絡中的通信節(jié)點,從功耗、網絡生命時間等角度出發(fā),對無線通信網絡的拓撲結構及路由協議中亟待解決的關鍵問題進行了深入研究,提出專門適用于野外地震勘探的無纜自定位地震勘探儀器網絡(Non-cable Self-localization Seismic Instrument Network,NSSIN),其主要任務是為數據處理中心提供無纜地震儀采集的地震數據。目前,由于成百上千的無纜地震儀部署在野外環(huán)境中,大范圍、長距離的無線數據傳輸會導致無纜地震儀花費大量能量中繼其他無纜地震儀的數據,從而提高無纜地震儀數據的傳輸功耗,縮短無纜自定位地震勘探儀器網絡生命時間,大大降低無線自組網的完整性和地震勘探效率。本文針對現有問題,首先建立無纜自定位地震勘探儀器網絡中多變量函數的代理模型,利用遺傳算法對代理函數進行全局優(yōu)化,得到了基于Wi-Fi無線傳輸地震數據量與網絡生命時間的最優(yōu)點;其次,提出最佳數量和已知數量k的多基站部署算法,不僅可以減少無纜地震儀的中繼地震數據量,還降低無纜地震儀的無線數據傳輸功耗,提高無纜自定位地震勘探網絡壽命。此外,基于無纜地震儀的剩余能量和基站位置,自行設計動態(tài)能量平衡路由算法,有效地減少多跳數據傳輸延遲問題,提高無纜自定位地震勘探儀器網絡的能效。本文主要研究工作如下:(1)根據地震勘探對無線數據傳輸的需求,提出無纜自定位地震勘探儀器自組全無線通信網絡方案:采用分簇拓撲結構實現分層網絡通信方式,并通過Wi-Fi無線寬帶技術保證網絡數據帶寬的需求。同時,利用無線網絡的自組織、多跳等特點,直接解決復雜、惡劣環(huán)境下地震勘探儀器布線難等問題,保證了地震數據的可靠傳輸。(2)為了保證無纜自定位地震勘探儀器無線自組網絡的完整性,基于Kriging算法建立了無纜地震儀的數據采集量、無線數據傳輸量與網絡生命時間之間的多變量復雜函數映射關系。同時,利用遺傳算法對無線數據傳輸性能的代理函數模型進行全局優(yōu)化。針對已經構建的無纜自定位地震勘探儀器網絡,利用數值分析軟件Matlab/Simulink建立無纜自定位地震數據傳輸理論模型,并驗證所設計的無纜自定位地震勘探儀器網絡無線地震數據傳輸的優(yōu)化效果。(3)為了有效降低無纜地震儀在無線數據傳輸中的能量消耗、提高網絡生命時間,本文提出了分布式最佳數量基站部署算法。基于圖形分割理論,建立無纜地震儀數量、基站通信距離和數量之間的數學模型,得出最佳的基站部署方案,同時,滿足最大化網絡生命時間的基站部署最佳數量和位置的需求。仿真結果證明了提出的算法與部署單個基站相比在網絡生命時間、算法運行時間等方面都有很大地提高。(4)以保證無線網絡完整性和降低網絡功耗為目標,同時解決野外地震勘探客觀環(huán)境因素的制約,對無纜自定位地震勘探儀器網絡中部署已知數量k個基站算法進行研究,分別提出多項式時間優(yōu)化基站部署算法和(2-(?))近似優(yōu)化基站部署算法。利用Voronoi多邊形生成方法,將網絡分為k個不相交的簇,依照最小化簇內數據傳輸總跳數,降低無纜自定位地震勘探儀器網絡的功耗;結合圖論獨立集合和支配集合的特性,提出啟發(fā)式簇間平衡算法,將無纜地震儀從總跳數多的簇移動到總跳數少的鄰近簇,直到鄰近簇之間的總跳數達到臨界平衡,進一步平衡了無纜自定位地震勘探儀器網絡的功耗。(5)本文分析了簇群路由協議的相關特性,設計動態(tài)能量平衡路由算法。根據無纜地震儀之間的交互信息,考慮無纜地震儀的剩余能量和基站位置,提出動態(tài)構建簇群尺寸的計算方法,解決距離基站近的無纜地震儀能量消耗過快等問題。此外,還對TSP(Travelling Salesman Problem)問題進行了研究,鑒于隨機幾何圖論,推導出簇間路由形成表達式,以此表達式產生帕累托路由候選集合,利用漢明距離作為閾值優(yōu)化更新候選集合,使簇間路由無線傳輸延遲最小。最后,仿真分析結果證明提出的路由算法在數據傳輸時間、平均跳數等方面的性能優(yōu)勢。
[Abstract]:With the development of semiconductor manufacturing and wireless communication technology , the micro - sensor wireless communication device with good economic benefit can adapt to the trend of large - scale , full - digital and high - real - time development of the current seismic exploration instrument . In order to ensure the integrity of the wireless self - positioning seismic data transmission network , a mathematical model between the data acquisition amount , the wireless data transmission capacity and the network life time is established based on the Kriging algorithm . ( 5 ) The correlative characteristics of cluster routing protocol are analyzed . The dynamic energy balance routing algorithm is designed . Based on the interaction information between the non - cable seismometer and the location of the base station , the method of dynamically building the cluster size is proposed to solve the problem of too fast energy consumption of the non - cable seismometer near the base station . In addition , the problem of TSP is studied . In view of the random geometry graph theory , the cluster routing candidate set is derived . By using the Hamming distance as the threshold , the candidate set is updated . Finally , the simulation results show that the proposed routing algorithm has the performance advantages in data transmission time , average hop count and the like .

【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：P631.43

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