本文關(guān)鍵詞：地理位置信息受限的WSN-MS數(shù)據(jù)收集策略研究

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【摘要】：在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,存在著“傳輸熱點”問題,即位于基站附近的一部分節(jié)點,需要承擔(dān)大量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù),快速消耗能量,從而導(dǎo)致節(jié)點過早失效,縮短網(wǎng)絡(luò)生存周期。為了延長網(wǎng)絡(luò)生存周期,一種重要的方法是通過基站的移動實現(xiàn)節(jié)點能量的有效利用。具有移動基站的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network with Mobile Sink,WSN-MS)能夠使得在不同的時間段由不同區(qū)域內(nèi)的節(jié)點承擔(dān)與基站直接通信的任務(wù),從而均衡節(jié)點能耗,緩解網(wǎng)絡(luò)的傳輸熱點問題,延長網(wǎng)絡(luò)生存周期。另一方面,在某些情況下,由于節(jié)點部署環(huán)境、感知能力和成本等因素的限制,節(jié)點無定位設(shè)備,難以獲取地理位置信息。此時,獨立于地理位置信息的數(shù)據(jù)收集策略是必要的。本文重點研究了節(jié)點地理位置信息缺失時,WSN-MS數(shù)據(jù)收集過程中的基站狀態(tài)信息更新,網(wǎng)絡(luò)路由和基站移動路徑規(guī)劃三個方面。論文在研究方法與思路上力求有所突破,主要研究工作和成果包括以下幾個方面:①針對無節(jié)點地理位置信息時,基站移動后狀態(tài)信息更新和網(wǎng)絡(luò)路由建立與維護(hù)的需求,提出了基于追逐算法的骨干網(wǎng)絡(luò)生成算法。將上述需求局限于含有少量節(jié)點的骨干網(wǎng)絡(luò),從而減少相關(guān)的通信開銷。本文的算法首先形成支配集,將各支配節(jié)點視為學(xué)習(xí)自動機(jī)并求取動作集,通過追逐算法迭代優(yōu)化支配節(jié)點的動作,最終獲得最小連通支配集的一個近似解作為骨干網(wǎng)絡(luò)。本文也對使用時變學(xué)習(xí)參數(shù)時,算法的ε最優(yōu)性進(jìn)行了證明。仿真實驗結(jié)果表明,相比于其他骨干網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建算法,本文提出的算法獲得的骨干網(wǎng)絡(luò)具有更少節(jié)點數(shù)目,較小的節(jié)點度,同時保證其獲取過程的通信開銷合理的范圍。②研究了節(jié)點地理位置信息缺失及存在失效節(jié)點時,基站移動后狀態(tài)信息更新的廣播協(xié)議,提出了擴(kuò)展定向支配裁剪(EDDP)算法。EDDP引入貪婪嵌入過程,賦予節(jié)點虛擬坐標(biāo),并根據(jù)這些坐標(biāo)形成節(jié)點的定向鄰節(jié)點集,使得轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點集中所需覆蓋的鄰節(jié)點數(shù)目更少,減少冗余數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。EDDP選擇輔助轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點,保證了網(wǎng)絡(luò)存在失效節(jié)點時廣播消息的傳輸。根據(jù)節(jié)點獲得的不同的鄰節(jié)點信息,進(jìn)一步提出了擴(kuò)展定向全支配裁剪算法和擴(kuò)展定向部分支配裁剪算法,以減少更多的冗余數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。此外,針對廣播過程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的判定準(zhǔn)則,提出了簡版標(biāo)記和未標(biāo)記終止準(zhǔn)則,以移除原有終止準(zhǔn)則中對節(jié)點狀態(tài)查詢消息的依賴。與忽略查詢消息和應(yīng)答消息影響后的標(biāo)記/未標(biāo)記終止條件相比,算法性能只有輕微的降低。仿真實驗結(jié)果表明,相比于傳統(tǒng)算法,本文算法能夠有效減少網(wǎng)絡(luò)中參與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點數(shù)目,降低數(shù)據(jù)包的沖突次數(shù)和冗余數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。③研究了節(jié)點地理位置信息缺失及存在失效節(jié)點時,基站移動后節(jié)點與基站間路由的快速重構(gòu),提出了基于虛擬節(jié)點的貪婪嵌入(VGE)算法,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了一種新型路由算法。VGE算法賦予各節(jié)點虛擬坐標(biāo),使得網(wǎng)絡(luò)的任意兩節(jié)點間都存在著一條貪婪路徑。如果網(wǎng)絡(luò)中無失效節(jié)點,貪婪轉(zhuǎn)發(fā)路由總是有效。當(dāng)新節(jié)點的加入時,VGE算法能夠在不改變其他節(jié)點虛擬坐標(biāo)的前提下,維持網(wǎng)絡(luò)的貪婪特性�；诠�(jié)點虛擬坐標(biāo)的特點,本文提出了改進(jìn)型重力-壓力路由算法,保證了存在失效節(jié)點時,數(shù)據(jù)順利傳輸?shù)侥康墓?jié)點。此外,本文求取了貪婪嵌入相關(guān)參數(shù)的一種具有簡潔表達(dá)式的特解。與其他基于虛擬坐標(biāo)的路由方法相比,不管網(wǎng)絡(luò)中是否存在失效節(jié)點或障礙物,本文的算法能夠正常的工作且獲得更小的路徑擴(kuò)張比(意味著節(jié)點間平均通信的跳數(shù)更少,有利于減少通信能耗)。④針對具有單基站且其移動環(huán)路長度受限的時延容忍網(wǎng)絡(luò),提出了一種獨立于節(jié)點地理位置信息的基于交叉熵的基站移動環(huán)路制定策略。其以最小化網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸總能耗為目標(biāo),在環(huán)路形成的過程中,綜合考慮數(shù)據(jù)緩存節(jié)點的選取,基于交叉熵方法對采樣概率矩陣進(jìn)行優(yōu)化,以利于下次采樣中能夠獲得更優(yōu)的環(huán)路。與基于簇的劃分或生成樹的基站移動路徑制定策略相比,本文的移動環(huán)路規(guī)劃算法不需要構(gòu)建特定的結(jié)構(gòu),擴(kuò)大了問題的求解空間,從而能夠有機(jī)會獲得更好的結(jié)果。此外,本文提出了一種概率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)策略,使得離環(huán)路相同跳數(shù)的各節(jié)點的能耗更為均衡。與傳統(tǒng)的算法相比,本文的策略能夠在獲得較小的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信能耗的同時,節(jié)點的能耗更為均衡,延長了網(wǎng)絡(luò)的生存周期。
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TP212.9;TN929.5

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