發(fā)布時間：2018-02-22 23:02

  本文關(guān)鍵詞： 無線自組網(wǎng) 網(wǎng)絡(luò)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(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：隨著半導(dǎo)體制造業(yè)和無線通信技術(shù)的發(fā)展,具有良好經(jīng)濟(jì)效益的微型傳感器無線通信裝置更能順應(yīng)當(dāng)前地震勘探儀器向著大規(guī)模、全數(shù)字化和高實時性發(fā)展的趨勢。然而,現(xiàn)有的地震勘探布線系統(tǒng)在復(fù)雜地質(zhì)條件下表現(xiàn)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(shù)在地震勘探儀器中的應(yīng)用已經(jīng)成為當(dāng)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(lǐng)域。自無線通信技術(shù)與地震勘探技術(shù)結(jié)合至今,地震勘探儀器用于無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?jié)能設(shè)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(guān)注。本文將吉林大學(xué)國家地球物理探測儀器工程技術(shù)研究中心自主研發(fā)的無纜自定位地震儀作為無線網(wǎng)絡(luò)中的通信節(jié)點,從功耗、網(wǎng)絡(luò)生命時間等角度出發(fā),對無線通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及路由協(xié)議中亟待解決的關(guān)鍵問題進(jìn)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(wǎng)絡(luò)(Non-cable Self-localization Seismic Instrument Network,NSSIN),其主要任務(wù)是為數(shù)據(jù)處理中心提供無纜地震儀采集的地震數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)傳輸會導(dǎo)致無纜地震儀花費大量能量中繼其他無纜地震儀的數(shù)據(jù),從而提高無纜地震儀數(shù)據(jù)的傳輸功耗,縮短無纜自定位地震勘探儀器網(wǎng)絡(luò)生命時間,大大降低無線自組網(wǎng)的完整性和地震勘探效率。本文針對現(xiàn)有問題,首先建立無纜自定位地震勘探儀器網(wǎng)絡(luò)中多變量函數(shù)的代理模型,利用遺傳算法對代理函數(shù)進(jìn)行全局優(yōu)化,得到了基于Wi-Fi無線傳輸?shù)卣饠?shù)據(jù)量與網(wǎng)絡(luò)生命時間的最優(yōu)點;其次,提出最佳數(shù)量和已知數(shù)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(shù)據(jù)量,還降低無纜地震儀的無線數(shù)據(jù)傳輸功耗,提高無纜自定位地震勘探網(wǎng)絡(luò)壽命。此外,基于無纜地震儀的剩余能量和基站位置,自行設(shè)計動態(tài)能量平衡路由算法,有效地減少多跳數(shù)據(jù)傳輸延遲問題,提高無纜自定位地震勘探儀器網(wǎng)絡(luò)的能效。本文主要研究工作如下:(1)根據(jù)地震勘探對無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?提出無纜自定位地震勘探儀器自組全無線通信網(wǎng)絡(luò)方案:采用分簇拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實現(xiàn)分層網(wǎng)絡(luò)通信方式,并通過Wi-Fi無線寬帶技術(shù)保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)帶寬的需求。同時,利用無線網(wǎng)絡(luò)的自組織、多跳等特點,直接解決復(fù)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(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)的完整性,基于Kriging算法建立了無纜地震儀的數(shù)據(jù)采集量、無線數(shù)據(jù)傳輸量與網(wǎng)絡(luò)生命時間之間的多變量復(fù)雜函數(shù)映射關(guān)系。同時,利用遺傳算法對無線數(shù)據(jù)傳輸性能的代理函數(shù)模型進(jìn)行全局優(yōu)化。針對已經(jīng)構(gòu)建的無纜自定位地震勘探儀器網(wǎng)絡(luò),利用數(shù)值分析軟件Matlab/Simulink建立無纜自定位地震數(shù)據(jù)傳輸理論模型,并驗證所設(shè)計的無纜自定位地震勘探儀器網(wǎng)絡(luò)無線地震數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)化效果。(3)為了有效降低無纜地震儀在無線數(shù)據(jù)傳輸中的能量消耗、提高網(wǎng)絡(luò)生命時間,本文提出了分布式最佳數(shù)量基站部署算法。基于圖形分割理論,建立無纜地震儀數(shù)量、基站通信距離和數(shù)量之間的數(shù)學(xué)模型,得出最佳的基站部署方案,同時,滿足最大化網(wǎng)絡(luò)生命時間的基站部署最佳數(shù)量和位置的需求。仿真結(jié)果證明了提出的算法與部署單個基站相比在網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)完整性和降低網(wǎng)絡(luò)功耗為目標(biāo),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(wǎng)絡(luò)中部署已知數(shù)量k個基站算法進(jìn)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(wǎng)絡(luò)分為k個不相交的簇,依照最小化簇內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸總跳數(shù),降低無纜自定位地震勘探儀器網(wǎng)絡(luò)的功耗;結(jié)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(shù)多的簇移動到總跳數(shù)少的鄰近簇,直到鄰近簇之間的總跳數(shù)達(dá)到臨界平衡,進(jìn)一步平衡了無纜自定位地震勘探儀器網(wǎng)絡(luò)的功耗。(5)本文分析了簇群路由協(xié)議的相關(guān)特性,設(shè)計動態(tài)能量平衡路由算法。根據(jù)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(gòu)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(jìn)行了研究,鑒于隨機(jī)幾何圖論,推導(dǎo)出簇間路由形成表達(dá)式,以此表達(dá)式產(chǎn)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(jié)果證明提出的路由算法在數(shù)據(jù)傳輸時間、平均跳數(shù)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(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：P631.43

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本文編號：1525526