地理位置信息受限的WSN-MS数据收集策略研究

发布时间：2017-12-05 12:18

  本文关键词：地理位置信息受限的WSN-MS数据收集策略研究

  更多相关文章： 无线传感器网络 移动基站 广播算法 路由协议 路径规划

【摘要】：在无线传感器网络中,存在着“传输热点”问题,即位于基站附近的一部分节点,需要承担大量数据转发任务,快速消耗能量,从而导致节点过早失效,缩短网络生存周期。为了延长网络生存周期,一种重要的方法是通过基站的移动实现节点能量的有效利用。具有移动基站的无线传感器网络(Wireless Sensor Network with Mobile Sink,WSN-MS)能够使得在不同的时间段由不同区域内的节点承担与基站直接通信的任务,从而均衡节点能耗,缓解网络的传输热点问题,延长网络生存周期。另一方面,在某些情况下,由于节点部署环境、感知能力和成本等因素的限制,节点无定位设备,难以获取地理位置信息。此时,独立于地理位置信息的数据收集策略是必要的。本文重点研究了节点地理位置信息缺失时,WSN-MS数据收集过程中的基站状态信息更新,网络路由和基站移动路径规划三个方面。论文在研究方法与思路上力求有所突破,主要研究工作和成果包括以下几个方面:①针对无节点地理位置信息时,基站移动后状态信息更新和网络路由建立与维护的需求,提出了基于追逐算法的骨干网络生成算法。将上述需求局限于含有少量节点的骨干网络,从而减少相关的通信开销。本文的算法首先形成支配集,将各支配节点视为学习自动机并求取动作集,通过追逐算法迭代优化支配节点的动作,最终获得最小连通支配集的一个近似解作为骨干网络。本文也对使用时变学习参数时,算法的ε最优性进行了证明。仿真实验结果表明,相比于其他骨干网络构建算法,本文提出的算法获得的骨干网络具有更少节点数目,较小的节点度,同时保证其获取过程的通信开销合理的范围。②研究了节点地理位置信息缺失及存在失效节点时,基站移动后状态信息更新的广播协议,提出了扩展定向支配裁剪(EDDP)算法。EDDP引入贪婪嵌入过程,赋予节点虚拟坐标,并根据这些坐标形成节点的定向邻节点集,使得转发节点集中所需覆盖的邻节点数目更少,减少冗余数据包转发。EDDP选择辅助转发节点,保证了网络存在失效节点时广播消息的传输。根据节点获得的不同的邻节点信息,进一步提出了扩展定向全支配裁剪算法和扩展定向部分支配裁剪算法,以减少更多的冗余数据包转发。此外,针对广播过程数据转发的判定准则,提出了简版标记和未标记终止准则,以移除原有终止准则中对节点状态查询消息的依赖。与忽略查询消息和应答消息影响后的标记/未标记终止条件相比,算法性能只有轻微的降低。仿真实验结果表明,相比于传统算法,本文算法能够有效减少网络中参与数据转发的节点数目,降低数据包的冲突次数和冗余数据的转发。③研究了节点地理位置信息缺失及存在失效节点时,基站移动后节点与基站间路由的快速重构,提出了基于虚拟节点的贪婪嵌入(VGE)算法,并在此基础上进一步提出了一种新型路由算法。VGE算法赋予各节点虚拟坐标,使得网络的任意两节点间都存在着一条贪婪路径。如果网络中无失效节点,贪婪转发路由总是有效。当新节点的加入时,VGE算法能够在不改变其他节点虚拟坐标的前提下,维持网络的贪婪特性。基于节点虚拟坐标的特点,本文提出了改进型重力-压力路由算法,保证了存在失效节点时,数据顺利传输到目的节点。此外,本文求取了贪婪嵌入相关参数的一种具有简洁表达式的特解。与其他基于虚拟坐标的路由方法相比,不管网络中是否存在失效节点或障碍物,本文的算法能够正常的工作且获得更小的路径扩张比(意味着节点间平均通信的跳数更少,有利于减少通信能耗)。④针对具有单基站且其移动环路长度受限的时延容忍网络,提出了一种独立于节点地理位置信息的基于交叉熵的基站移动环路制定策略。其以最小化网络数据传输总能耗为目标,在环路形成的过程中,综合考虑数据缓存节点的选取,基于交叉熵方法对采样概率矩阵进行优化,以利于下次采样中能够获得更优的环路。与基于簇的划分或生成树的基站移动路径制定策略相比,本文的移动环路规划算法不需要构建特定的结构,扩大了问题的求解空间,从而能够有机会获得更好的结果。此外,本文提出了一种概率数据转发策略,使得离环路相同跳数的各节点的能耗更为均衡。与传统的算法相比,本文的策略能够在获得较小的网络数据通信能耗的同时,节点的能耗更为均衡,延长了网络的生存周期。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP212.9;TN929.5

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本文编号：1254797