无线传感器网络覆盖空洞与数据收集关键技术研究

• 作 者: 韩雨涝
• 出 处: 西北大学
• 发表日期: 2020年01期
• 关键词: 无线传感器网络 数据收集 覆盖空洞 马尔可夫模型 代理节点

无线传感器网络作为物联网基础框架的重要组成部分,具有广阔的应用前景。数据收集是无线传感器网络应用的基本功能,传感器节点能否采集到监测区完整数据,并将数据可靠传输到用户中心,决定了网络应用的响应速度和性能体验。然而传感器节点能量和存储空间有限、计算和通信能力较弱,网络中存在不可靠链路和覆盖空洞等问题。面对这些问题,如何设计有效的数据收集技术,使得数据收集在达到高能效目的的同时,还能满足低延迟、高收集率的应用要求,是本文研究的重点。研究工作概括如下:(1)研究无线传感器网络覆盖空洞检测与修复问题。针对覆盖空洞导致监测区网络覆盖服务质量下降和数据不能完整采集的问题,提出了一种基于链路交点相对位置信息的覆盖空洞检测算法CHDARPI,基于节点方向角自适应的空洞检测消息转发机制,在提高空洞检测速度的同时降低了空洞检测能耗。针对覆盖空洞完全修复问题为NP-hard问题,提出了一种基于非并行二分法的分布式覆盖空洞修复算法CHRAND,采用弧二分法确定空洞修复最优位置,保证了移动节点能够修复的空洞面积达到最大。实验结果表明:与现有方法相比,CHDARPI在平均空洞检测时间和检测能耗方面分别下降15.2%和16.7%;CHRAND的空洞修复率可达100%,修复冗余度不超过0.354。(2)研究不可靠链路无线传感器网络节能路由协议。针对不可靠链路丢包导致数据收集率下降的问题,提出了一种能量有效的动态路由协议EEDRP,基于数据包接收率评估链路质量,并利用邻居节点活动状态时隙构建排序转发集。针对EEDRP协议在扩展性方面的不足,接着提出了一种面向不可靠链路基于模糊逻辑的非均匀分簇协议UCPFLUL。在分析分簇协议“能量空洞”问题基础上,设计了尝试簇头选举、分簇半径决策、分布式成簇以及簇间路由方法,以实现数据的可靠传输。实验结果表明:UCPFLUL和EEDRP均有效降低了网络节点平均能耗,同时数据收集率均超过了88%。(3)研究基于移动Sink的带状无线传感器网络低延迟数据收集问题。在带状无线传感器网络事件监测数据收集应用中,针对传统移动Sink数据收集技术不能满足数据收集的低延迟性能要求,提出了一种基于代理节点转发的移动Sink数据收集算法DCAFAN,构建了标识Sink移动轨迹的代理节点队列以及存储追踪代理节点的线节点序列,数据节点通过获取追踪代理节点传输数据到Sink。实验结果表明:DCAFAN能够降低数据收集延迟,平衡网络节点能耗同时提高数据收集率。(4)研究资源受限无线传感器网络移动设备路径规划问题。针对现有联合数据收集和无线充电的移动设备路径规划产生的数据收集率低或数据收集延迟大的问题,建立了节点资源受限下移动设备路径规划模型,证明了基于该模型的移动设备路径规划问题为NP-hard问题,并提出了一种基于贪心策略的移动设备路径规划算法PPAGS,利用马尔可夫模型预测移动设备在每个单元的最小停留时间和最长等待时间,以优化充电设备的移动路径。实验结果表明:与现有方法相比,PPAGS的平均数据收集延迟下降了25.9%,平均数据收集率提高了7%,达到了98.91%,节点平均失效率不超过3.1%。