无线传感器网络冗余编码及路由决策策略研究

发布时间：2018-03-25 09:47

本文选题：无线传感器网络　切入点：数据传输可靠性　出处：《电子科技大学》2017年博士论文

【摘要】：随着物联网以及“互联网+”的发展,作为物联网与“互联网+”感知神经系统的无线传感器网络必将达到一个空前的发展高度。在物联网以及“互联网+”的发展的同时,对于无线传感器网络的相关研究也越来越迫切,尤其是无线传感器网络的数据传输可靠性问题。对于无线传感器网络的研究与应用,最核心的其实就是以最低的成本将有效的数据可靠地传输到指定目的地。然而,受制于无线传感器网络自身的低处理能力,低功耗,低成本以及能量有限等特征因素的限制,这给无线传感器网络方面的相关研究与方案设计带来了极大的挑战,尤其是在以最低的网络资源成本下,如何有效地提高数据传输可靠性。尽管针对无线传感器网络方面的相关问题已经存在大量的解决方案。然而,在所有现有的文献中,没有一个方法可以适用于所有的场景和应用,仍然存在很多亟待解决的难点。例如:1.针对易受干扰的无线信道来说,缺乏一种能够适用于无线传感器网络的定量的快速准确的低代价链路质量估计方法。2.针对无线信道数据传输可靠性方面,需要一种能够适用于无线传感器网络的高鲁棒性,低延迟低功耗,且能够根据无线链路质量自适应地调整冗余量的冗余编码方案。3.路由协议是无线传感器网络中最为核心的关键问题之一,针对无线传感器网络特征的限制条件,需要一种能够在保证数据传输可靠性的前提下,适用于快速链路估计的能量有效可靠路由协议,以提高无线传感器网络综合性能。针对无线传感器网络一些现有的亟待解决的问题,本文主要从链路质量估计,冗余编码以及能量有效的可靠性路由三个方面进行研究。论文主要的研究内容与创新点主要概括为:(1)在硬件平台开发的基础上,对无线传感器网络性能方面进行大量的测试,并对测试结果进行了数据分析与处理,并提出了基于Ornstein-Uhlenbeck模型的WSN链路质量估计方法,该方法包括对基于物理量RSSI的无线链路质量估计以及对直接评估信道质量的包成功率PSR进行基于Logistic生长曲线函数关系的映射。通过仿真与实验验证,提出的方法有效地估计预测出无线信道的链路质量,这为后续的可靠性研究打下了基础。(2)针对数据传输可靠性方面,首先提出了一种基于Reed-Solomon冗余编码的无线传感器网络数据可靠性策略。该方案将单位矩阵结合Vandermonde矩阵作为编码矩阵,有效降低了算法的复杂度。在冗余数量方面,结合第一点的结果,可以准确地预测下一时刻的冗余量,充分利用了网络的信道与能量资源。在有效提高信道数据鲁棒性的同时,针对无线传感器网络的突发干扰问题,提出一种错误确认机制,进一步提高了网络数据的可靠性。最后,对提出的方法进行仿真验证,并有现有的一些方法进行比较分析,结果显示,提出的算法在数据可靠性方面具有明显的提升。(3)在信道编码方面,除了上述基于PSR的可靠性数据传输机制外,还提出了一种基于误码率的冗余剩余数系统(RRNS:Redundancy Resident Number System)的无线传感器网络数据传输可靠性机制。在该方法中,本文提出了一种新颖的解码方法,有效降低了算法的复杂度。在有效提高信道数据鲁棒性的同时,针对无线传感器网络的突发干扰问题,本文将该方法也与错误确认机制结合,使之在数据传输可靠性方面又有了一定的提升。同时,我们将提出的方法与现有的方法进行仿真比较与分析,验证了该方法的效果与性能。(4)在网络数据可靠性问题上,为了更加快捷可靠且能量有效地进行数据交互,本文提出了一种能量有效的期待传输数可靠性路由决策策略。该决策策略分别将两个物理量RSSI与剩余节点能量作为决策因子,其中物理量RSSI用于结合Ornstein-Uhlenbeck预测模型进行链路质量估计。该方法在提高网络数据可靠性与低延迟的同时,提高了网络能量的有效性利用,延长了网络生存寿命。此外,为了验证该方法的效果,本文利用NS-2.35对提出的策略进行仿真模拟,并与现有的协议进行比较分析,验证了提出的方法的效果与性能。本文重点关注无线传感器网络数据传输可靠性问题,分别从无线链路质量估计,冗余编码以及能量均衡可靠性路由三个关键技术方面提出相应的解决方案。同时,本文也分别对所提出的方法进行了具体的设计验证,在保证数据传输可靠性的基础上,提高了无线传感器网络的整体性能。
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【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP212.9;TN929.5

【参考文献】