无线传感器网络周期性数据收集研究

无线传感器网络的出现将为人类的生产和生活提供极大的便捷,它将人类和物理世界互联。无线传感器网络通常会被部署在无人看护的户外等环境较为恶劣的区域。无线传感器网络中的节点的计算能力,通信能力有限,但是人们通常需要它们能自组网并提供有效和长时间的通信服务。由于严格的能量限制,传感器网络的能量必须仔细地管理和使用,从而延长网络的生命期。在大多数无线传感器网络的应用中,感测数据需要周期性的获取并发送到一个相对较远的基站。这个过程就是数据收集。它涉及到组网、路由、数据融合等关键技术,是一个综合性的问题。 本文针对周期性数据收集中的几个关键问题进行了研究。这几个问题是：能量均衡性、能效与时延平衡性、数据感知分簇。主要解决了“坏链路”问题、“热区”问题、时延优化问题、合理利用数据相关性问题,并且实现了协议,验证了性能。本文的主要工作和创新点有： 1.提出了能量均衡的数据收集协议 分析总结了能耗不均衡的原因,比如节点分布的随机性、被检测信息的时间和空间上的不规则性等。提出了一种能量均衡的数据收集协议LDEERS(Low Delay Energy Equalizing Routing Scheme),它由快速建立阶段、拓扑调整阶段和数据收集阶段组成。LDEERS采用了一种动态路由选择机制,该机制基于节点权值和高度值建立起一棵动态汇聚树,并根据一种类似于令牌传递的算法来选取树根。在每一轮里,当前根节点收集并融合所有节点发来的信息后传送给基站,然后选取下一轮的根节点。在这些机制的支持下,LDEERS能够以较低的开销简捷快速地组织网络中所有的节点,而且对网络拓扑变化有很好的健壮性。与PEGASIS(Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems)和HEED(Hybrid, Energy-Efficient, Distributed clustering approach)相比,仿真结果表明LDEERS实现了降低能耗,均衡所有节点能量,同时很好地延长网络生命期的目标。 2.提出了能效与时延平衡的数据收集机制 在追求能量高效的同时,考虑数据汇聚时延,提出了一种能效与时延平衡的数据收集机制EEDBDG(Energy Efficiency and Delay Balancing Data Gathering scheme),该机制采用一种新型动态树来组织网络拓扑,消除了“热区”问题,节点动态选择路由并轮换充当树根,根节点收集数据并与基站直接通信。同时,针对不同的时延和能效要求,提出了3种数据收集策略：能效最优算法EEDBDG-E(Energy),时延最优算法EEDBDG-D(Delay)和能效时延平衡算法EEDBDG-M(Median)。仿真结果表明,在节点通信半径受限的情况下,EEDBDG平衡了节点能量消耗,延长了网络生命时间,在节能与省时上均表现出了突出的性能。与GSEN(Group-based SEsor Network)相比,在最好情况下,EEDBDG-E网络生命期提高了72%,EEDBDG-D汇聚时延降低了74%。同时,探讨了基于动态树的数据收集过程中的安全问题,并给出了一种安全保证方案。 3.提出了基于数据感知的分簇数据收集协议 在以数据为中心的无线传感器网络中,节点间感知数据的相关性影响到分簇协议簇头数据聚合能力。分析了区域数据相关性对分簇能效性能的影响,指出了现有的协议中对数据相关度和数据融合能力假设的片面性和理想化。提出了一种基于数据感知的分簇数据收集协议DACDG(Data-Aware Clustering for Data Gathering). DACDG采用节点剩余能量和邻居节点感知数据的相关度作为成簇因素,并采用了多次迭代计算的办法选举簇头。与现有分簇协议比较,仿真结果表明DACDG降低和均衡了所有节点能耗,显著地延长了网络的生命期。 4.设计实验系统验证了数据收集协议性能 设计了一个数据收集实验系统,系统采用了自主设计的一个嵌入式小型协议栈,包括射频驱动层、MAC(Medium Access Control)层、网络层和传输层。协议栈适用于当前大多数无线传感器节点平台,使节点快速的自组织构建网络并且实现数据通信。在协议栈里实现了数据收集机制EEDBDG,并提出了一种可靠性数据通信组网方法MIN(Multiple Interactive Networking), MIN将链路选择融入到组网过程,基于准稳定区进行通信,提高节点间通信可靠性,完善了数据汇聚树的建立。最后给出了测试结果,验证了协议的性能。