无线传感器网络高效数据传输方法

随着传感器技术、嵌入式计算以及无线通讯技术的发展，使得具有感知、计算和通信能力的微型化传感器节点成为可能，无线传感器网络(WirelessSensor Networks, WSNs)就是由这些传感器节点组成，它们一般部署在一个监测区域来协作地感知、收集和处理感知信息，通过自组织的方式相连，然后将处理后的信息通过多跳的方式传输到基站。无线传感器网络在环境监测、医疗健康、智能交通和军事国防等领域有广泛的应用。由于无线传感器网络是以数据为中心的网络，因此如何高效地传输感知数据是无线传感器网络的一个重要研究问题。一个简单的方法是让所有的传感器节点周期性地将数据传输给汇聚节点(Sink节点)。然而这将给节点带来严重的存储和通信开销，这与无线传感器网络所要求的高能效性要求不符，因为无线传感器网络中的节点只有有限的电池能量，而数据的无线传输是能量消耗的主要部分，过多的无线传输将会快速耗尽节点的电池能量，从而引起节点失效。因此，如何在不危及网络的任务条件下尽可能地减少数据的传输是一个重要的研究问题。针对此问题，本文从数据压缩和拥塞控制两方面考虑了无线传感器网络上的数据传输的问题，并提出了相应的策略和算法。本文的主要研究成果包括如下几个方面。 首先，本文提出了一个不连接的分段线性压缩算法GDPLA。由于无线传感器网络具有有限的能量资源，为了减少感知数据存储、传输和处理的能量开销，有必要对原始数据进行压缩处理。目前，尽管有许多数据压缩方法可用来减少数据量，但由于它们的超线性时间或者非在线特性，使得它们很难应用于资源有限的无线传感器网络。针对这些不足，本文提出了一个最优的在线算法GDPLA，其用不连接的分段线段来近似描述时间序列，且保证每个数据点的真实值与近似值之间的误差的绝对值小于等于用户给定的阈值ε，本文证明了在保证误差界限ε的条件下，算法GDPLA用最少的线段条数来近似描述时间序列。而且证明了算法GDPLA的时间复杂度是O(n)且系数为6，其中n是时间序列的长度。算法的低时间复杂性使得其适用于资源有限的无线传感器网络。在两个真实数据集上进行的实验表明了本文算法具有优越的压缩性能。 第二，本文提出了一个不连接的分段曲线压缩算法3D-FSS (ThreeDimensional-Feasible Solution Space)。据我们所知，3D-FSS是第一个用分段曲线来近似描述时间序列的算法且保证每个真实数据值与其对应的曲线上的近似数据值之差的绝对值小于等于ε。算法3D-FSS的主要思想是将时间轴划分成多个片段，每个片段用一个二次函数来近似描述且保证误差界限ε。算法的关键在于为每个数据点建立一个可行解空间(Feasible solution space, FSS)，这里可行解空间是由一组平行平面以及两平面之间的区域组成。当一个新的数据点Pj到达时，计算已经到达但未被压缩的数据点的FSS的交集和Pj的FSS的交集是否为空。若交集为空，则结束当前的片段，且从当前数据点开始新的一个片段。反之，若交集非空，则等待下一个数据点到达。这个过程一直重复直到整个时间序列被扫描完。本文证明了在保证误差ε的条件下，算法用最少个数的二次函数来近似描述时间序列，且仅需要线性的运行时间，即O(n)。在真实数据集上进行的实验表明3D-FSS的压缩性能优于GDPLA的压缩性能，但其运行时间稍高于GDPLA的运行时间。 第三，本文提出了一个保证加权公平性的数据传输协议。在无线传感器网络中，拥塞不仅导致丢包，还会增加网络延迟，减少吞吐量。因此，如何减缓或消除拥塞以提高能效性和延长网络生命时间是一个重要的研究问题。目前，已有许多针对此问题的解决方案，但它们中大多数采用的是开环控制的方法，这种方法将导致系统的不稳定和低准确度。针对上述不足，本文提出了一个分布式的保证加权公平性的数据传输协议WFCC。WFCC给每个节点赋予一个权值以反应其产生的数据的重要性，使用包的平均服务时间与包的平均到达时间的比值作为拥塞度量。基于节点的权值和拥塞度量，WFCC将时间轴划分成等长的周期序列，且通过使用闭环控制的方法来周期性地调节进入节点的数据包总速率来减缓拥塞。此外，WFCC首次给出了加权公平性的度量，且在理论上给出了其的一个下界1(10c/9)2，这里0<c <0.2。实验结果表明WFCC的加权公平性平均达到了95%，优于目前已存在的基于速率的拥塞控制协议的加权公平性。另外，与目前最好的基于速率控制的拥塞控制协议PCCP相比，WFCC的网络吞吐量和加权公平性分别比PCCP高50%和19%。 第四，本文提出了一个基于单神经元PID控制的数据传输协议SNCCP。SNCCP的主要思想是确保每个传感器节点的缓冲区队列长度维持在一个理想值附近，其主要是通过一个反馈控制的方法自适应周期性地调节进入节点的总速率来实现。SNCCP给出了一个加权公平性度量fM，并证明了fM=1O(M2)，这里M是指第M个周期。本文用由7个节点组成的无线传感器网络来评估SNCCP，实验结果表明，SNCCP的加权公平性平均达到了99%，远高于其他的基于速率的拥塞控制协议。另外，与目前最好的基于速率控制的拥塞控制协议PCCP相比，SNCCP的网络吞吐量和加权公平性分别比PCCP高53%和21%。