新型高效协作式移动无线传感器网络技术研究

发布时间：2016-12-13 13:19

  本文关键词：新型高效协作式移动无线传感器网络技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

《北京邮电大学》 2012年

新型高效协作式移动无线传感器网络技术研究

丁杰  

【摘要】：物联网被称为继计算机、互联网之后,世界信息产业的第三次浪潮。作为物联网的核心技术之一,无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSNs)近年来受到越来越多研究者的关注。无线传感器网络是大量的传感器通过无线通信的方式,相互联系、处理、传递信息的网络,可以实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境信息或监测对象的信息,并对这些信息进行处理、传送给所需用户。然而由于传感器节点有体积、成本等方面的限制,多数情况下传感器网络中的节点都是由电池供电,电池容量有限,且在很多应用中不可能更换电池,因此,如何节省能耗并延长网络寿命是无线传感器网络设计中的一个关键问题。 为此,很多能量高效的新技术被提出用于节能和延长无线传感器网络寿命。特别地,传感器节点的无线通信传输能耗是传感器节点能耗的主要部分。因此,近年来一个新的研究趋势是在无线传感器网络的节能设计中引入一些先进的物理层传输技术,例如虚拟多输入多输出(Multiple Input Multiple Out, MIMO)技术。另外,移动无线传感器网络由于在网络中增加了移动性,能通过短距离无线通信来节省能量,利用移动性进行节能设计成为无线传感器网络中一个新的研究领域。 本文针对面向监测的农业无线传感器网络覆盖范围广、信息简单且允许有一定时延的特点,从节省能耗的角度对基于虚拟MIMO的无线传感器网络节能技术和基于移动性的无线传感器网络节能技术进行了深入研究,主要阐述了新型高效的协作式节能传输方案设计和基于移动Sink的节能数据收集算法设计。论文首先从传感器节点与网络的特点出发,论述了基于虚拟MIMO技术的无线传感器网络和移动无线传感器网络(mobile Wireless Sensor Networks, mWSN)的技术背景,并对移动无线传感器网络的相关研究进行了分类总结。随后分别针对能量高效的虚拟V-BLAST传输方案、基于STBC空时编码的虚拟MIMO传输方案、基于移动Sink的数据收集节能算法设计等几方面进行了研究。本文的主要研究内容与贡献如下： 第一,针对随机布设在农林间的大量传感器节点收集的数据具有很大冗余度,以及数据收集基站一般都布设在监测区域外且能量和体积不受限的特点,提出了一种用于能量受限无线传感器网络的基于簇的虚拟MIMO传输架构。在这个架构中,不使用簇成员,而是使用多个簇头形成虚拟天线阵以便使用MIMO传输技术。通过把基于V-BLAST的MIMO技术融合进簇头协作传输架构,提出了一种基于V-BLAST的簇头协作传输方案VCHCT (V-BLAST based Cluster Heads Cooperative Transmission)。该研究对V-BLAST系统的去相关决策反馈检测器的平均误比特率进行了分析,并建立了VCHCT方案的总能耗模型,并对VCHCT方案的总能耗与传统LEACH协议的总能耗进行了对比。最后通过仿真对理论分析的结果进行了验证,可以看出,由于使用了虚拟V-BLAST传输, VCHCT方案比传统LEACH (Low-energy Adaptive Clustering Hierarchy)协议节省能耗并能有效地延长无线传感器网络的寿命。 第二,在簇头协作传输架构基础上,把基于STBC空时编码的虚拟MIMO技术与簇头协作传输架构相结合,提出了一种适用于分簇无线传感器网络的基于STBC空时编码的虚拟MIMO节能传输方案SCHCT (STBC based Cluster Heads Cooperative Transmission)。通过对基于STBC空时编码的MIMO系统的误码率分析,在单位比特通信能耗模型基础上建立了SCHCT方案的整体能耗模型。通过与传统LEACH协议的能耗进行对比与仿真分析,可以看出,当基站距离传感器监测区域较近时,SCHCT方案的能量消耗比传统的LEACH要高；而当基站离传感器监测区域较远时,SCHCT方案相比LEACH能极大节省能量消耗,并延长无线传感器网络的寿命。 第三,和LEACH相比,VCHCT方案和SCHCT方案都更加能量高效,但如果同时考虑两个方案中不同传输技术的节能特性和SCHCT方案的簇头节点间额外的通信能量开销,就不能确定哪一种方案更加节能。该研究在相同的误码率性能和相同的节点传输速率条件下对VCHCT方案和SCHCT方案的能耗特性进行了详细的比较分析。理论分析和仿真结果表明,当基站距离无线传感器网络监测区域较远时,即使考虑到SCHCT方案中额外的簇头间通信能量消耗,SCHCT方案仍然比VCHCT方案和LEACH方案都能极大地节省能量；当基站距离无线传感器网络监测区域相对较近时,VCHCT方案比SCHCT方案和LEACH方案都更加高效,是最佳的选择。 第四,时延较大是移动无线传感器网络的关键问题之一,已有相关工作在减少移动无线传感器网络的数据时延方面取得了一定成效,但对于规模较大的无线传感器网络来说这些方法还是不能满足要求；另外,目前已有的研究把移动路径规划和普通节点到汇聚节点的路由分开考虑,而没有综合考虑汇聚节点选取、普通节点到汇聚节点路由以及移动路径之间的关系。针对此问题,并结合农业无线传感器网络规模较大、数据允许有一定时延的特性,该研究提出了一种基于移动Sink和汇聚节点的数据收集方案。在这个方案的基础上,设计了一种联合考虑节点到汇聚节点路由和移动Sink路径的启发式算法。该算法在保证数据时延性要求的条件下,减少了传感器节点到汇聚节点的数据传输,从而达到节省能耗并延长网络寿命的目的。

【关键词】：
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TN929.5;TP212.9
【目录】：

下载全文 更多同类文献

CAJ全文下载

(如何获取全文？ 欢迎：购买知网充值卡、在线充值、在线咨询)

CAJViewer阅读器支持CAJ、PDF文件格式

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 ;Energy efficiency of virtual MIMO transmission schemes for cluster-based wireless sensor networks[J];The Journal of China Universities of Posts and Telecommunications;2011年04期

【共引文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 何文德;杨凤年;刘光灿;;无线传感器网络在文物保护中的应用[J];安防科技;2007年07期

2 刘海波;邹涛;翁哲;;无线传感器网络在执勤枪械定位中的应用[J];安防科技;2009年09期

3 张开风;胡艳军;许耀华;姜新红;仇乐乐;王福俊;高韦;丁胜建;;WSN与GPRS结合的远程图像等数据采集系统设计[J];安徽大学学报(自然科学版);2011年04期

4 林丽萍;;无线传感器网络节点的研究与应用[J];安徽职业技术学院学报;2010年04期

5 余华;孙艳红;车银超;郭玉峰;;无线传感器网络在现代农业中的应用[J];安徽农业科学;2010年04期

6 余华;吕宁波;;基于无线传感器网络的农田信息管理系统的研究[J];安徽农业科学;2010年32期

7 范书平;高巍;马宝英;;一种无线温度传感器网络中节能的路由协议[J];安徽农业科学;2011年02期

8 杨治秋;柴宝杰;;无线传感器网络在农业信息监控系统中的应用[J];安徽农业科学;2011年35期

9 归奕红;;无线传感网应用于设施农业的节能方案研究[J];安徽农业科学;2012年02期

10 秦玉伟;彭燕;;能量非均衡节点在无线传感网络立体空间的LEACH路由研究[J];安徽农业科学;2012年03期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 张维勇;张芬;马学森;;基于IEEE802.15.4的一种分簇算法研究[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年

2 石为人;张阳;邓鹏程;;传感器网络局部时间同步协议研究[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年

3 曾明;胥布工;;基于分层的传感器网络自组织拓扑控制算法研究[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年

4 刘增力;李雯霏;龙华;朵琳;;能量相关DSR协议OPNET仿真及性能分析[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年

5 罗旭;柴利;杨君;;无线传感器网络TTSL迭代定位算法[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年

6 ;Data Gathering Strategies in Wireless Sensor Networks Using a Mobile Sink[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年

7 吴添英;岳昆;刘惟一;;一种无线传感器网络的节能联盟博弈模型[A];中国自动化学会控制理论专业委员会A卷[C];2011年

8 任玲;唐昊;周雷;魏振春;;一种能量高效的无线传感器网络自适应传输方法[A];中国自动化学会控制理论专业委员会B卷[C];2011年

9 ;Exploiting Mobility for Data Collection in Wireless Sensor Networks With Delay Reduction[A];中国自动化学会控制理论专业委员会C卷[C];2011年

10 何坚;方康玲;李晓卉;韩维;;基于无线传感器网络的涉密载体智能监管系统研究[A];中国自动化学会控制理论专业委员会D卷[C];2011年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 王蕊;无线传感器网络部署与拓扑控制研究[D];哈尔滨工程大学;2009年

2 孙玉婷;基于柱形换能器的水下传感器网络组网协议研究[D];中国海洋大学;2009年

3 罗汉江;海洋监测传感器网络关键技术研究[D];中国海洋大学;2010年

4 郭瑛;基于事件触发的无线传感器网络关键技术研究[D];中国海洋大学;2010年

5 周鹏;水下传感器网络海上试验平台的研究与设计[D];中国海洋大学;2010年

6 张书奎;无线传感器网络中信息分发的可靠性研究[D];苏州大学;2010年

7 刘昕;基于无线传感器网络的目标跟踪系统中的算法研究[D];华中科技大学;2010年

8 高艺;能源自给低功耗无线传感器网络关键技术研究[D];南开大学;2010年

9 吴磊;无线自组织网络中的路由技术相关问题研究[D];电子科技大学;2010年

10 陈伟;多跳无线网络路由关键技术研究[D];电子科技大学;2010年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 叶青;基于可信的无线传感器网络认证技术的研究[D];安徽工程大学;2010年

2 谌业滨;无线传感器网络自身健康状态融合机制研究[D];南昌航空大学;2010年

3 乔田田;无线传感器网络路由协议研究[D];山东科技大学;2010年

4 骆科学;基于ZigBee的无线传感器网络节点在矿井机车运输监控系统中的应用研究[D];山东科技大学;2010年

5 韩蕾;K重覆盖算法在WSN最大支持路径中的研究[D];长春理工大学;2010年

6 彭慧;面向离散型制造业的嵌入式MES检测终端开发[D];浙江理工大学;2010年

7 闭启礼;水文传感器网络部署优化研究[D];郑州大学;2010年

8 张永琦;无线传感器网络中基于网关的分级簇算法研究[D];郑州大学;2010年

9 张磊;基于无线传感器网络的实验管理系统的设计与实现[D];郑州大学;2010年

10 刘兰涛;无线传感器网络中时间同步技术的研究[D];郑州大学;2010年

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 徐健;李小珉;;基于AT86RF212的无线传感器网络节点设计[J];传感器与微系统;2010年04期

2 金福宝;曹军;;无线传感器网络节点的低功耗设计[J];传感器与微系统;2007年04期

3 魏书芳;孙同景;孙波;郭源生;;ZigBee无线传感器网络在煤矿中的应用[J];微计算机信息;2007年32期

4 孙延明;刘志远;蔡春丽;柴寿臣;刘继江;;低功耗无线传感器网络节点的设计[J];微计算机应用;2009年02期

5 潘惠惠;巢佳;;无线传感器网络在信息家居网络控制系统中的应用[J];数字技术与应用;2010年07期

6 陆克中;黄刘生;万颍渝;徐宏力;;无线传感器网络中传感器节点的布置[J];小型微型计算机系统;2006年11期

7 敦旭锋;田丰;孙小平;;无线传感器网络节点的研究与设计[J];沈阳航空工业学院学报;2007年05期

8 李露曦;鄢楚平;;基于TinyOS的无线传感器网络平台的实现[J];微计算机信息;2008年08期

9 刘丽;唐松;毛善国;;多目标跟踪传感器网络的节点设计[J];计算技术与自动化;2009年03期

10 徐合龙;纪金水;;无线传感器网络点对点通信设计与实现[J];西北民族大学学报(自然科学版);2009年03期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 徐久强;卢锁;赵海;崔行兵;刘大鹏;;基于蚁群算法的无线传感器网络路由算法的研究[A];第八届沈阳科学学术年会论文集[C];2011年

2 龙昭华;李景中;蒋贵全;张林;;基于无线传感器网络的普适计算研究[A];第六届和谐人机环境联合学术会议（HHME2010)、第19届全国多媒体学术会议（NCMT2010）、第6届全国人机交互学术会议（CHCI2010）、第5届全国普适计算学术会议（PCC2010）论文集[C];2010年

3 任玲;唐昊;周雷;魏振春;;一种能量高效的无线传感器网络自适应传输方法[A];中国自动化学会控制理论专业委员会B卷[C];2011年

4 刘阳;杨晓春;王斌;于戈;李斌阳;;无线传感器网络中一种基于历史数据分组的感知查询技术[A];第二十四届中国数据库学术会议论文集（研究报告篇）[C];2007年

5 郭旭斌;叶长城;王忆文;李辉;;基于无线传感器网络的室内定位系统[A];第十五届计算机工程与工艺年会暨第一届微处理器技术论坛论文集（A辑）[C];2011年

6 骆吉安;柴利;;无线传感器网络的滚动时域状态估计方法[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年

7 曹芳菲;何文麟;陈红;;无线传感器网络中基于预测的Top-k监测(英文)[A];第二十五届中国数据库学术会议论文集（一）[C];2008年

8 袁蕊;;基于矿井节能的无线传感器网络MAC协议的研究[A];煤矿自动化与信息化——第20届全国煤矿自动化与信息化学术会议暨第2届中国煤矿信息化与自动化高层论坛论文集[C];2010年

9 潘恒曦;辛旺;范蟠果;;Zigbee在无线传感器网络中的应用[A];2010年西南三省一市自动化与仪器仪表学术年会论文集[C];2010年

10 邢佩龙;徐久强;赵海;田鹤;;无线传感器网络中的模糊质心算法[A];第八届沈阳科学学术年会论文集[C];2011年

中国重要报纸全文数据库 前10条

1 美国专利律师 谭文晔　薛之扬;[N];科技日报;2010年

2 本报记者 赵建国;[N];中国知识产权报;2011年

3 温雅路;[N];人民邮电;2008年

4 赛迪顾问信息产业研究中心高级咨询师 王坤;[N];通信产业报;2009年

5 本报记者 姚传富;[N];人民邮电;2009年

6 沈建苗　编译;[N];计算机世界;2010年

7 卞 辑;[N];中国气象报;2011年

8 ;[N];计算机世界;2004年

9 罗清岳;[N];电子资讯时报;2007年

10 记者 陆成钢　通讯员 尚晓天;[N];嘉兴日报;2009年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 姜宇;基于无线传感器网络的远程抄表关键技术研究[D];吉林大学;2011年

2 赵宝康;无线传感器网络隐私保护关键技术研究[D];国防科学技术大学;2009年

3 罗丹彦;无线传感器网络能量高效组建关键技术的研究[D];哈尔滨工业大学;2009年

4 毕嘉娜;无线传感器网络能量有效安全路由协议研究[D];哈尔滨工业大学;2009年

5 周彦;无线传感器网络中基于量化信息的目标状态估计与融合[D];上海交通大学;2010年

6 谷雨;无线传感器网络中目标覆盖的研究[D];中国科学技术大学;2010年

7 马永波;无线传感器网络精确动态定位及其安全性问题研究[D];吉林大学;2010年

8 李哲涛;多媒体无线传感器网络中若干算法研究[D];湖南大学;2010年

9 李玉凯;无线传感器网络高能效可靠数据传输理论及应用研究[D];华北电力大学（北京）;2011年

10 周益明;基于无线传感器网络的温室群监测与控制系统的关键技术研究与实现[D];浙江大学;2009年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 唐健华;无线传感器网络目标优化覆盖的研究[D];南京邮电大学;2011年

2 蔡殷;基于无线传感器网络的光强环境监测系统设计[D];华中科技大学;2009年

3 黄衍玺;基于无线传感器网络的导航系统设计与实现[D];南京航空航天大学;2009年

4 张涛;基于北斗系统的无线传感器网络目标定位算法研究[D];东北大学;2008年

5 杨凤伟;无线传感器网络覆盖算法研究[D];南京邮电大学;2011年

6 龚静;无线传感器网络中基于压缩感知技术的数据压缩方法研究[D];西南交通大学;2011年

7 孙艳红;无线传感器网络在农田温湿度信息采集中的构建与应用[D];河南农业大学;2010年

8 罗勇桥;油水井无线传感器网络的研究与实现[D];上海交通大学;2011年

9 罗强;水下无线传感器网络的部署研究[D];国防科学技术大学;2011年

10 周冲;无线传感器网络中的数据融合技术研究[D];江南大学;2012年

  本文关键词：新型高效协作式移动无线传感器网络技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

，

本文编号：211644