基于移动sink的无线传感器网络数据收集方法研究

摘要

无线传感器网络中传统的数据收集模式都是假设基站(sink)是静止不动的，这样，基站周围的节点将担负网络内的所有负载，成为网络性能的瓶颈，从而缩短了网络的寿命。随后发展的有分簇和树路由等机制，通过多跳的方式把数据传输到能量更多或离根节点更近的节点，最后再传输给基站，但仍然存在着能耗不均衡的问题;这促进了传感器网络向移动sink方式的发展。
　　 本文首先介绍传感器网络的概念、特点、挑战和应用，然后描述传感器网络的体系结构，并对该研究所提出的各种数据收集方法进行分析和总结。本文以单跳收集数据和只有一个移动sink节点的传感器网络为主要研究对象，详细介绍了现有的sink节点沿往复路线移动的数据收集方法的原理。然后，本文对基于移动sink的数据收集方法中的移动路线进行了优化。提出一种基于环形移动路线的低时延数据收集方法-LDCR(a Low-Delay data Collectionapproach based on Ring-like routes)，对原有的往复路线进行改善，使移动路线从一条沿原路返回的路线变为可以循环移动的封闭环形曲线;并针对不同的网络规模和移动路线提出了设计方案并给出了理论分析和证明。由于路线的优化，使得原方案中路线两端的传感器节点中的数据分组可以避免长时间不能和sink节点通信的情况，能够尽快得到传输，从而减少数据分组的平均端到端时延和存储开销。利用OPNET网络仿真软件对该数据收集方法和沿往复路线移动的方法进行仿真和比较。理论分析和仿真结果均表明，LDCR在分组平均端到端时延、节点缓存占用、分组传递成功率和网络吞吐量等方面的性能得到整体提升。接着本文研究了sink节点的停留机制和HELLO消息发送机制对数据收集方法的影响;并在此基础上提出一种高效的数据收集方法-HEDC(High-Efficiency DataCollection)。HEDC通过减小sink节点静止之后的等待时间最短门限值，使得sink节点减少不必要的停留;而且每次当sink节点开始静止的时候，立即发送一个HELLO消息通知传感器节点传输数据分组，然后HELLO消息重新按周期发送直到下一次静止，原方法中HELLO消息的发送与sink节点的运动状态无关。使用OPNET仿真软件对该数据收集方法与其他相关方法进行仿真和比较。性能分析结果表明，HEDC在缓存占用、成功率和网络吞吐量等方面的性能都得到提升。最后，本文对所开展的两方面研究工作进行了总结，并阐述了传感器网络数据收集方法研究的未来方向。

目录

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摘要

缩略语

插图清单

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究现状与主要任务

1．3 论文的研究目标及结构安排

第二章 无线传感器网络及其数据收集方法概述

2．1 无线传感器网络的概念和体系结构

2．2 无线传感器网络的特点和挑战

2．3 无线传感器网络数据收集方法介绍

2．3．1 无线传感器网络根据体系结构的分类

2．3．2 无线传感器网络根据查询种类的分类

2．4 基于移动sink的传感器网络数据收集方法原理

2．4．1 网络模型

2．4．2 移动sink数据收集方法基本操作

2．4．3 网络遍历和停留时间的计算

2．5 本章小结

第三章 基于移动sink的低时延数据收集方法

3．1 传感器网络数学模型与问题描述

3．1．1 数学模型

3．1．2 问题描述

3．2 基于移动sink的低时延数据收集方法-LDCR设计

3．2．1 LDCR方法设计原理

3．2．2 LDCR方法新机制

3．2．3 移动路线对时延的影响分析

3．2．4 LDCR方法中重要参数值的确定

3．3 移动sink收集数据方法在OPNET中的实现

3．3．1 OPNET仿真软件概述

3．3．2 理论分析和仿真建模

3．3．3 仿真结果与分析

3．4 LDCR的仿真建模

3．4．1 进程模型

3．4．2 仿真配置

3．4．3 仿真结果与分析

3．5 本章小结

第四章 基于移动sink的高效数据收集方法

4．1 基于移动sink的高效数据收集方法-HEDC

4．1．1 基于移动sink的数据收集方法中存在的问题

4．1．2 HEDC方法设计原理

4．1．3 HEDC方法基本操作

4．1．4 HEDC方法新机制

4．2 HEDC仿真建模

4．3 仿真结果及分析

4．3．1 仿真配置

4．3．2 实验数据与分析

4．4 本章小结

第五章 全文总结及未来工作

5．1 全文总结

5．2 未来工作

致谢

参考文献

附录 攻读硕士期间主要的研究成果