无线传感器网络基于数字喷泉码的数据交换策略研究

摘要

无线传感器网络由分布在特定区域的零散节点组成，是一种典型的分布式网络结构。作为一种以数据为中心的分布式自组织网络，无线传感器网络中节点数据的收集和存储扮演着重要角色。由于无线传感网络部署方便且其功能强大，它常常用来部署在恶劣的环境中收集数据。再加上节点自身计算和存储资源有限，因此其条件往往受限。因此，如何保证节点感知的数据的可靠性及其存储的有效性，是一个非常值得研究的课题。
　　目前，以数字喷泉码为中心的网络编码技术在无线传感器网络的数据收集及存储方面的应用非常广泛。与传统的编码方案不同的是，它不是让通信网络中的节点只是单纯的转发上游节点交付的数据，而是在转发之前将自己的数据有选择性的编码进上游节点交付的数据，再将编码后的数据包转发给下游节点。这样，接收端节点收到发送端发送过来的经编码过的数据，即可根据发送端和接收端预定的编码解码方案，将收到的编码数据包解码出来。但是，由于发送端的数据经编码后发往接收端，接收端需接收到一定数量的编码数据包后才能将发送端发送的原始数据包完全解码。在接收端将数据完全解码之前，主要有两类问题出现：
　　1.数据包解码的陡壁效应。接收端在开始时只收到少量编码数据包，无法将其解码，这样便浪费大量编码初期时间。在编码后期接收端收到足够数量的编码数据包后，接收端突然将所有数据包解码，网络突然需传送大量数据，这很可能导致网络拥塞。
　　2.网络编码要求网络中编码数据包的度按一定的度分布函数均匀分布，这样才可能达到最佳性能。现有的大多数以节点为中心的编码方案不能满足编码数据包的度均匀分布的要求。
　　针对以上问题，本文采用网络编码技术中编码复杂度较低且效率高的数字喷泉码，围绕基于数字喷泉码的节点数据交换策略进行研究，主要贡献如下：
　　1.提出了一种改进的以数据包为中心的编码方案，使得各个节点中感知的数据包以编码的方式均匀的分布在整个网络中，并通过仿真实验结果分析该编码方案的性能。
　　2.数据包在网络中随机漫步时需根据一定的概率转移矩阵进行，差的随机漫步算法会使得数据包重复访问已访问节点，浪费大量的时间和能量。本文提出了一种新型的随机漫步算法，同时通过仿真实验分析该算法性能。
　　3.提出了一种基于优先级的数据导向交换策略，并将该策略应用于本文提出的改进的以数据包为中心的编码方案，使得编码后的数据更能够快速收集和解码。
　　针对网络中编码数据包的度均匀分布的问题，本文提出了一种改进的以数据包为中心的编码方案和一种新型的随机漫步算法，使得编码数据包在网络中根据度分布函数以及网络不同区域的稠密程度均匀分布。针对数据包解码的陡壁效应，本文提出了一种基于优先级的数据导向交换策略，使得网络中的关键数据能够优先解码，进而使得网络中各阶段编码解码负载均衡。

目录

文摘

英文文摘

详细摘要

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要工作

1.4 本文组织结构

第二章 相关技术概述

2.1 数字喷泉码概述

2.1.1 数字喷泉码简介

2.2.1 LT码基本原理

2.2.2 LT码的度分布设计

2.2 无线传感器网络中分布式数据收集技术简介

2.3.1 无线传感器网络中分布式数据收集的特点

2.3.2 存在的问题和挑战

2.3 本章小结

第三章 基于数据导向交换策略的分布式无比率编码机制

3.1 系统模型

3.2 基于数据导向交换策略的分布式无比率编码方案(DODRC)

3.2.1 系统初始化算法

3.2.2 数据编码算法

3.2.3 数据分发和收集算法

3.3 MDMP随机漫步算法

3.3.1 NRW、MD和MH随机漫步算法介绍

3.3.2 MDMP随机漫步算法研究

3.4 仿真结果及性能分析

3.5 本章小结

第四章 基于优先级的数据导向交换策略

4.1 系统模型

4.2 基于优先级的数据导向交换策略

4.2.1 边缘检测算法

4.2.2 数据编码与存储阶段

4.2.3 数据收集阶段

4.3 仿真结果及性能分析

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 本文主要贡献

5.2 本文不足之处

5.3 研究展望

致 谢

参考文献

附 录