无线传感器网络高能效数据压缩方法研究

摘要

能量是无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)极其重要而有限的资源，而节点绝大部分能量都消耗在无线数据通信上，如何高效利用能量是WSN面临的关键问题。基于WSN监测数据的时、空相关性，数据压缩能有效减少通信数据量，是传感器节点重要的节能手段。然而，数据压缩减少通信能耗的同时，节点的处理能耗也增加。因此，如何极大限度的提高数据压缩的能量收益，是降低系统能耗的关键所在。
　　数据压缩算法的能效主要涉及能效性评估方法和能效提高方法。因此，本文主要研究了面向一般硬件平台的数据压缩能效评估方案、数据压缩的源程序级能耗优化方法和具有发射功耗感知的数据压缩三个问题。
　　为了更加客观有效地评价具体数据压缩方法所能实现的节能效果，本文在已有评估准则的基础上，给出了硬件因素和算法因素分离的数据压缩算法的能效性评估方案;为了提高压缩算法程序运行效率，降低算法自身能量消耗，研究并提出了针对数据压缩算法的程序级节能优化方法;为了使数据压缩算法在无线发射功率进行调节时仍能保持节能收益，提出了可适应发射功率变化压缩算法调整机制。
　　本文通过对能效性评估、源程序节能优化和压缩算法调整等三个方面的方法研究、方案设计来提高数据压缩的能效性，并以典型节点的硬件平台资源条件为例，通过计算、测试验证了本文所提方法、方案的可行性和有效性，理论分析计算和实验结果都表明所提出的方法能有效提高无线传感器节点的整体节能效率。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 无线传感器网络的无损数据压缩

1．2．2 无线传感器网络中有损数据压缩

1．2．3 无线传感器网络数据压缩研究面临的问题

1．3 论文主要研究内容

1．4 论文结构安排

2 无线传感器网络数据压缩概述

2．1 无线传感器网络及其资源特点

2．1．1 无线传感器网络的体系结构

2．1．2 无线传感器节点所受的限制

2．2 无线传感器网络中的数据压缩

2．3 无线传感器网络数据压缩算法的评估指标

2．3．1 数据压缩算法的传统评估指标

2．3．2 能量相关的数据压缩评估指标

2．4 本章小结

3 数据压缩算法的能效性评估方案

3．1 引言

3．2 影响数据压缩能效性的因素分析

3．3 数据压缩算法的能效性评估指标

3．4 数据压缩算法的能效性评估新方案

3．5 基于新方案的压缩算法能效性分析实例

3．5．1 典型传感器节点硬件环境及其特性

3．5．2 能效性评估实例与结果分析

3．6 本章小结

4 数据压缩算法的源程序级节能优化方法

4．1 引言

4．2 算法源程序级节能优化方法

4．2．1 基于改变数据形式的源程序优化

4．2．2 基于减少附加指令的源程序优化

4．2．3 基于语句执行概率的源程序优化

4．3 数据压缩算法的源程序级节能优化方法应用

4．4 源程序级能耗优化应用实例的测试与分析

4．4．1 典型数据压缩算法的源程序级优化实例

4．4．2 源程序优化方法的能效性评估与优化效果分析

4．5 本章小结

5 具有无线发射功率感知的数据压缩方法

5．1 引言

5．2 发射功率调整对能效性与总能耗的影响

5．2．1 无线发射功率调整对能效性的影响

5．2．2 无线发射功率调整对总能耗的影响

5．3 数据压缩算法调整的必要性与可能性

5．3．1 数据压缩算法调整的必要性

5．3．2 数据压缩算法调整的可能性

5．3．3 数据压缩算法调整的举例

5．4 具有无线发射功耗感知的数据压缩方法

5．4．1 数据压缩算法调整机制的建立

5．4．2 数据压缩算法调整机制的实施方法

5．5 具有无线发射功率感知的数据压缩方法实例分析

5．5．1 具功耗感知数据压缩方法实例

5．5．2 具功耗感知数据压缩方法能效性评估与效果分析

5．6 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读学位期间主要的研究成果目录

致谢