无线传感器网络多节点协同相关问题研究

摘要

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)通过散布在空间各区域的网络节点协作地监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，并将这些信息通过自组多跳的方式传送到用户终端；同时又将用户终端发布的命令下达至各网络节点，对监测、感知和采集等各行为进行调整；从而实现用户、环境、计算设备实时动态的交互。 无线传感器网络是一个资源受限、无线多跳传输、单节点易毁的自组织网络。如何在这样一个基础条件不好的网络中实现高效的、可扩展的、强壮的网络互连，是摆在WSN研究者们面前的一个重大挑战。研究者通过多学科交叉，新兴技术运用等各种手段，从各种角度，对高效网络互连进行研究。本文考虑，在WSN单节点能力非常有限的情况下，多个节点的有效组织、协同工作，具有系统提升网络整体性能的潜力。由此，开展了WSN多节点协同问题研究。选取了WSN中若干关键支撑技术(拓扑控制、路由技术、可靠传输)作为切入点，考察了在WSN中如何有效地组织多节点协同，提升网络性能。 本文具体研究内容和结论如下： (1)为了更好地开展多节点协同问题的研究，对WSN多节点协同的由来进行了梳理，给出了一个WSN多节点协同问题的定义，并将此定义与CSCW、协同计算、网格等相关概念进行辨析。 (2)通过研究面向多节点协同的拓扑控制策略，考察了构造适合于多节点协同的网络拓扑的方法。研究了WSN整体能量效率、负载均衡和邻居节点集的势之间的关系；提出了分层处理的拓扑控制算法LELB，在能量效率和负载均衡之间找出较优平衡点，以更好地发挥多节点协同的工作性能。 (3)通过研究基于地理位置信息的多节点协同路由机制，考察了多节点协同中继在更好地适应WSN多样的无线环境和应用需求方面的作用。研究了一种新的克服本地最小化现象的方法Clockwise-Rule，替代了通常使用的“右手规则”，更利于并发多路由的选择。在此基础上，提出了基于多节点协同的自适应多路由算法APMR(Adaptive Parallel Multi-path Routing)，并尝试了将人工智能中的本体(Ontology)技术引入多节点协同路由，增加自适应判断时的推理能力。 (4)通过研究基于多节点协同的高效数据汇聚模型(WSN中普遍存在着数据汇聚操作)，考察了多节点协同在数据汇聚过程中发挥的作用。研究了多节点协同的可靠性和协同开销，给出了基于多节点协同的集合汇聚模型(SAM)，并设计了低功耗的多节点协同汇聚方法。理论分析和实验检验，验证了基于多节点协同的集合汇聚对网络整体性能的有效提升。 (5)通过研究基于多节点协同的端到端可靠传输策略，考察了如何有效地组织多节点协同，以提高WSN的传输可靠性，提升网络整体性能。研究了基于多节点协同中继的集合传输策略，给出了集合传输算法Set Transfer。用信息论等工具对算法的传输性能进行了理论分析。通过理论和实验论证了多节点协同传输可以在WSN不可靠链路上提供可靠的端到端传输，并很好地提升网络整体性能。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

第1章绪论

1.1研究背景

1.2主要工作

1.3论文组织

第2章无线传感器网络综述

2.1无线传感器网络体系结构

2.1.1网络节点

2.1.2网络组成

2.1.3网络的软件层次

2.1.4网络的体系结构

2.2无线传感器网络应用实例

2.2.1军事国防

2.2.2环境监测

2.2.3生物医疗

2.2.4抢险救灾

2.2.5其它商业应用

2.3无线传感器网络研究热点

2.3.1物理层

2.3.2数据链路层

2.3.3网络层

2.3.4传输层

2.3.5应用层

2.4无线传感器网络若干关键支撑技术

2.4.1拓扑控制

2.4.2路由技术

2.4.3可靠传输

2.5本章小结

第3章无线传感器网络多节点协同

3.1多节点协同的由来

3.2多节点协同的定义

3.3多节点协同的研究意义

3.4本文研究思路

3.5本章小结

第4章WSN面向多节点协同的拓扑控制

4.1引言

4.2相关工作

4.3模型和标准

4.3.1链路稳定性模型

4.3.2 MAC层通信模型

4.3.3度量标准

4.4 LELB算法

4.4.1提高能量效率

4.4.2改善负载均衡

4.4.3共同工作LELB算法

4.5仿真结果及分析

4.5.1仿真环境

4.5.2包分发率

4.5.3平均能耗

4.5.4能量方差

4.6本章小结

第5章面向自适应的WSN多节点协同路由

5.1引言

5.2相关工作

5.3克服本地最小化现象

5.3.1本地最小化现象

5.3.2关于凸多边形假设的说明

5.3.3顺(逆)时针选路规则(Clockwise-Rule)

5.4自适应并发多路由算法APMR

5.4.1 APMR基本算法：路由发现，路由确认

5.4.2 APMR算法可选路由策略

5.5本体驱动的自适应数据处理

5.5.1应用场景

5.5.2 WISNO本体

5.5.3上下文推理

5.5.4 WISNO研究小结

5.6仿真结果及分析

5.6.1离散多路由策略

5.6.2选择性路由策略

5.6.3快速路由策略

5.7本章小结

第6章基于多节点协同的WSN数据汇聚模型

6.1引言

6.2相关工作

6.3集合汇聚(SAM)：一种强壮的、灵活的数据汇聚模型

6.3.1集合接收(Set Receiving)

6.3.2集合转发(Set Relaying)

6.3.3集合汇聚模型的构造及工作流程

6.3.4集合汇聚的可靠性分析

6.4性能分析

6.4.1能量效率

6.4.2传输延时

6.4.3系统维护开销、网络生命时间

6.5仿真结果及分析

6.6本章小结

第7章基于多节点协同的WSN端到端可靠传输

7.1引言

7.2相关工作

7.3端到端可靠传输：集合传输(Set Transfer)

7.3.1基本假设

7.3.2节点集同步接收(Receiving Simultaneously)

7.3.3节点集竞争转发(Relaying Competitively)

7.3.4集合传输(Set Transfer)

7.3.5集合传输(Set Transfer)可靠性分析

7.4性能分析

7.4.1传输吞吐量分析

7.4.2传输能耗分析

7.4.3集合传输的优化

7.5仿真结果及分析

7.6本章小结

第8章结论与展望

8.1论文主要结论

8.2研究展望

附录

参考文献

攻读博士学位期间主要研究成果

攻读学位期间参加的项目

致谢