矿井多媒体救灾通信系统中WMSN路由算法的研究

发布时间：2020-06-25 02:10

【摘要】：无线多媒体传感器网络(Wireless Multimedia Sensor Network,WMSN)是在无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)的基础上发展起来的,除具有传统WSN的能力之外,节点还具有采集多媒体信息(图像、视频、音频等)的能力。和传统WSN一样,WMSN的节点能量和计算能力有限,与传统WSN不同的是,由于网络中传输的多媒体数据需要提供服务质量(QoS)保证,如何在能力有限的网络中传输数据量巨大的多媒体信息并满足服务质量要求,是WMSN面临的主要问题。其中多媒体信息流的路由选择是一个关键问题,它担负着将多媒体数据在满足约束条件的前提下可靠地从源节点传输到目的节点的任务。矿井救灾通信系统是一个基于WMSN的无线通信系统,节点由救援人员或机器人携带进入救灾区,将汇聚节点(Sink)布置在有线网络末端附近,并在前进的过程中根据需要布置无线通信节点,在巷道固定一些多媒体节点来监控巷道中的状况,防止二次事故发生。信息传送至指挥中心后,指挥人员以视频的形式获知灾难现场的情况,发布调度消息,有效地指挥救灾。本文结合WMSN在矿井救灾通信系统中的实际应用,对系统中网络服务质量进行了需求分析,研究了WMSN的路由及与之相关的网络结构和能量空洞问题。主要包括:(1)针对矿井多媒体救灾通信系统实际应用需求,提出采用异构WMSN网络并提出三层网络结构。矿井救灾系统中只有少量节点需要采集多媒体信息,其他节点只负责将采集到得信息进行处理和传输,为了节约成本的同时能提高节点的便携性采用异构WMSN;WMSN中由于传输的数据量较大,通常采用分布式数据压缩技术,针对这个特点,在传统WSN两层网络结构的基础上提出三层网络结构,增加专门负责协作多媒体采集节点完成数据处理任务的协作层。(2)为了解决矿井狭长空间内数据多跳传输产生的延时与多媒体数据实时性要求之间的矛盾问题,提出了粒子群算法(PSO)优化的实时路由算法。矿井救灾系统需要将灾难现场的救援情况实时传输至指挥中心,是一个实时性要求较高的通信系统。而煤矿井下是一个狭长空间,信息传输需要经过的跳数较多,需要解决在节约能耗、提高能量利用率的前提下,数据实时传输的问题。本文提出了WMSN实时路由协议。给路径探测包设置生命周期来保证实时性;作者结合路由优化过程对PSO的运算规则进行了重新定义。(3)为了解决多媒体传感器网络带宽受限难以满足视频流信息的高带宽要求的问题,提出了多种群PSO的WMSN并行多径路由算法。由于网络传输的主要是数据量大的视频流信息,对带宽要求较高,而WMSN带宽受限,当网络带宽不能满足服务质量要求时,需要采用多条路径同时传输。本文针对目前多径路由算法大都是多次运行算法,先后生成多条路径,可能无法找到足够数量路径的情况,提出了多种群PSO的WMSN并行多径路由算法,路由优化过程中信息共享,互相协作,同时生成一组不相交路径。(4)针对WMSN路由研究与仿真的过程中发现的能量空洞问题进行了研究,证明了在异构WMSN中,能量空洞会出现的网络的任何位置,并提出了基于负载均衡的通信节点布局方法。将网络按单跳距离为单位进行分层,考虑节点数据处理和无线收发的能耗,以负载均衡为目标,在每层布局相应数量的节点,避免异构多媒体传感器网络产生能量空洞。其中,重点分析了数据处理能耗对节点布局的影响。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD655;TN919.8;TP212.9
【图文】：

WMSN结构

结构图,矿井,通信系统,结构图

2 异构 WMSN 的三层网络结构2 Network architecture with three layers forHeterogeneous WMSN网络结构直接关系到整个网络的性能。作为包括路由在内的其他 WMSN相关技术的支撑，非常有必要研究合适的网络结构，利用节点将 WMSN 构造成一个功能强大、结构优化、性能优良的网络[60]。2.1 异构 WMSN(Heterogeneous WMSN)基于 WMSN 的矿井多媒体救灾通信系统是在煤矿井下发生灾难时的救灾系统，它将井下救援情况的音、视频利用无线网络传输到救援指挥中心，以便更好的指挥救援工作。矿井多媒体救灾通信系统中只有少量节点需要采集多媒体信息，其他节点只负责将采集到得信息进行处理和传输，系统结构如图 2-1：

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