无线传感器网络数据发布技术研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hedongxu2288
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无线传感器网络是由具有感知、数据处理和短距离通信功能的传感器节点组成,在军事、民用和科学研究领域具有广阔的应用前景。  无线传感器网络的主要功能是探测目标区域的信息,并主动将数据发送到固定基站或者在接到查询时被动地将数据发布给感兴趣的用户。因此,如何有效地完成数据发布是无线传感器网络的一个主要研究问题。无线传感器网络不同于传统网络,它和应用高度相关,因此,数据发布应当考虑特定的应用场景,选择具有针对性的数据发布技术。  本文根据应用特点,将无线传感器网络按照体系结构分为三种,分别是静止单基站网络SSS(Static Single Sink)、移动单基站网络MSS(Mobile Single Sink)和移动多基站网络MMS(Mobile Multi-Sink),并针对不同的网络体系机构的特点研究其中的数据发布技术。  1.针对节点具有位置信息的静止单基站网络,研究通过调度节点轮流工作来减少数据冗余的数据发布技术,提出了一个满足全覆盖要求的节点调度算法,并基于该算法之上,提出了一个数据发布协议。另外,分析了基于节点位置调度模式的特点,发现该模式使网络的覆盖区域产生一种类似于剥洋葱的现象,网络节点从外到内逐渐死亡。这一现象表明目前备受推崇的全覆盖方式在一些应用中性能并不像想象的那样好,这也是第二部分研究的动机。  2.针对节点没有位置信息的静止单基站网络,研究通过基于概率睡眠的策略来达到节能数据发布的目的。基于细胞自动机理论,提出了概率性细胞自动机睡眠模式,给出了4种不同的实现方式。这种模式不需要节点的位置信息,从而能够降低为获取位置信息带来的能耗和计算复杂度。考虑到数据发布的目的,提出了面向基站连通覆盖的概念,并基于概率性细胞自动机模式提出一个满足面向基站连通覆盖的数据发布协议,该协议一方面能够在满足一定覆盖率的同时尽可能地关闭节点以节能,另一个方面能够保证每个工作的节点都具有至少一条到达基站的路径,从而保证了数据的顺利传输。  3.在无线传感器网络中引入移动性能够提高网络的性能。针对静止基站的瓶颈问题,研究如何通过控制基站的移动来提高数据发布的负载平衡和减少数据传输能源消耗。提出了一个移动协助的数据发布模式,它在网络中开辟固定的缓冲区,所有数据首先传输到该区域内等待基站来收集,基站在该区域内来回游动,并在移动中收集数据。基于圆形网络覆盖区域,从理论上  分别分析满足最大化负载平衡和最小化能源消耗的缓冲区位置,结果发现这两个位置非常接近,从而给出了同时满足负载平衡和较少能耗的最优位置。为了实现数据的传输,给出了三种不同情况下的路由算法。同时,该模式支持事件驱动的数据发布和查询驱动的数据发布。理论分析,本文提出的数据发布模式在很大程度上降低了网络节点最大负载,并且减少了数据传输能源消耗,数值结果显示,在相同的情况下分别比固定基站和同类工作的最大网络负载降低95%和80%以上,从而将网络生命周期延长了500%以上。  4.针对多个移动基站的网络,研究如何在减少查询能耗的同时提高查询的命中率。在这种网络体系结构中,多个随机移动的基站会随时随地发出查询,这给数据发布增加了困难。基于Push/Pull相折衷的策略,利用了每个圆的弦都存在一个直径与之垂直相交的性质,提出一个直径-弦模式,并基于该模式的基础上,提出了Two-Phase协议,它在信息查询时分成两个工作方式不同的阶段进行,在第1段查询不中时触发第2段查找。为了减少Two-Phase的延迟,提出了基于优先级和概率转发两种解决方法。理论分析和实验都表明Two-Phase协议不但有效地降低了查询能源消耗,而且提高了查询命中率。
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