无缆自定位地震勘探仪器网络结构及路由算法研究

发布时间：2018-02-22 23:02

本文关键词： 无线自组网网络完整性全局优化基站部署动态能量平衡　出处：《吉林大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：随着半导体制造业和无线通信技术的发展,具有良好经济效益的微型传感器无线通信装置更能顺应当前地震勘探仪器向着大规模、全数字化和高实时性发展的趋势。然而,现有的地震勘探布线系统在复杂地质条件下表现出施工效率低、成本高昂以及勘测灵活性差等问题。因此,无线通信技术在地震勘探仪器中的应用已经成为当前地震勘探装备最主要的发展方向,成为一个具有挑战性的全新研究领域。自无线通信技术与地震勘探技术结合至今,地震勘探仪器用于无线数据传输的节能设计及路由算法一直是研究热点,受到地震探测仪器研究人员的广泛关注。本文将吉林大学国家地球物理探测仪器工程技术研究中心自主研发的无缆自定位地震仪作为无线网络中的通信节点,从功耗、网络生命时间等角度出发,对无线通信网络的拓扑结构及路由协议中亟待解决的关键问题进行了深入研究,提出专门适用于野外地震勘探的无缆自定位地震勘探仪器网络(Non-cable Self-localization Seismic Instrument Network,NSSIN),其主要任务是为数据处理中心提供无缆地震仪采集的地震数据。目前,由于成百上千的无缆地震仪部署在野外环境中,大范围、长距离的无线数据传输会导致无缆地震仪花费大量能量中继其他无缆地震仪的数据,从而提高无缆地震仪数据的传输功耗,缩短无缆自定位地震勘探仪器网络生命时间,大大降低无线自组网的完整性和地震勘探效率。本文针对现有问题,首先建立无缆自定位地震勘探仪器网络中多变量函数的代理模型,利用遗传算法对代理函数进行全局优化,得到了基于Wi-Fi无线传输地震数据量与网络生命时间的最优点;其次,提出最佳数量和已知数量k的多基站部署算法,不仅可以减少无缆地震仪的中继地震数据量,还降低无缆地震仪的无线数据传输功耗,提高无缆自定位地震勘探网络寿命。此外,基于无缆地震仪的剩余能量和基站位置,自行设计动态能量平衡路由算法,有效地减少多跳数据传输延迟问题,提高无缆自定位地震勘探仪器网络的能效。本文主要研究工作如下:(1)根据地震勘探对无线数据传输的需求,提出无缆自定位地震勘探仪器自组全无线通信网络方案:采用分簇拓扑结构实现分层网络通信方式,并通过Wi-Fi无线宽带技术保证网络数据带宽的需求。同时,利用无线网络的自组织、多跳等特点,直接解决复杂、恶劣环境下地震勘探仪器布线难等问题,保证了地震数据的可靠传输。(2)为了保证无缆自定位地震勘探仪器无线自组网络的完整性,基于Kriging算法建立了无缆地震仪的数据采集量、无线数据传输量与网络生命时间之间的多变量复杂函数映射关系。同时,利用遗传算法对无线数据传输性能的代理函数模型进行全局优化。针对已经构建的无缆自定位地震勘探仪器网络,利用数值分析软件Matlab/Simulink建立无缆自定位地震数据传输理论模型,并验证所设计的无缆自定位地震勘探仪器网络无线地震数据传输的优化效果。(3)为了有效降低无缆地震仪在无线数据传输中的能量消耗、提高网络生命时间,本文提出了分布式最佳数量基站部署算法。基于图形分割理论,建立无缆地震仪数量、基站通信距离和数量之间的数学模型,得出最佳的基站部署方案,同时,满足最大化网络生命时间的基站部署最佳数量和位置的需求。仿真结果证明了提出的算法与部署单个基站相比在网络生命时间、算法运行时间等方面都有很大地提高。(4)以保证无线网络完整性和降低网络功耗为目标,同时解决野外地震勘探客观环境因素的制约,对无缆自定位地震勘探仪器网络中部署已知数量k个基站算法进行研究,分别提出多项式时间优化基站部署算法和(2-(?))近似优化基站部署算法。利用Voronoi多边形生成方法,将网络分为k个不相交的簇,依照最小化簇内数据传输总跳数,降低无缆自定位地震勘探仪器网络的功耗;结合图论独立集合和支配集合的特性,提出启发式簇间平衡算法,将无缆地震仪从总跳数多的簇移动到总跳数少的邻近簇,直到邻近簇之间的总跳数达到临界平衡,进一步平衡了无缆自定位地震勘探仪器网络的功耗。(5)本文分析了簇群路由协议的相关特性,设计动态能量平衡路由算法。根据无缆地震仪之间的交互信息,考虑无缆地震仪的剩余能量和基站位置,提出动态构建簇群尺寸的计算方法,解决距离基站近的无缆地震仪能量消耗过快等问题。此外,还对TSP(Travelling Salesman Problem)问题进行了研究,鉴于随机几何图论,推导出簇间路由形成表达式,以此表达式产生帕累托路由候选集合,利用汉明距离作为阈值优化更新候选集合,使簇间路由无线传输延迟最小。最后,仿真分析结果证明提出的路由算法在数据传输时间、平均跳数等方面的性能优势。
[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 .

【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P631.43

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