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随着传感器技术、嵌入式技术以及低功耗无线通信技术的发展,生产具备感应、无线通讯以及信息处理能力的微型无线传感器节点已成为可能。这些廉价的、低功耗的传感器节点共同组织成无线传感器网络,通过节点间的相互协作,将其监测和感应的多种环境信息传送到基站进行处理。大规模的无线传感器网络依靠成千上万的微型传感器节点来完成对目标的监测,通过自组织的方式,这些节点构成了一个高度灵活的,低能耗的网络。由于无线传感器网络无需固定设备支撑,可以快速部署、同时具有易于组网、不受有线网络的约束等优点,因此具有广泛的应用前景。然而由于无线传感器节点的资源非常匮乏,特别是能量资源难以补充的特性,给无线传感器网络的设计带来严峻考验。
本文介绍了无线传感器网络的特点和相关技术,指出数据收集是无线传感器网络的基本功能。数据收集协议作为传感器网络的基本功能的支撑技术,决定了整个网络的能耗状况,因此数据收集协议的能量使用效率将直接对网络生命周期产生影响。结合无线传感器网络的特点,本文的具体工作主要有以下几个方面:
(1)在本文中,我们首先提出了一个数学模型,使得只要已知监测范围和节点感知半径的比值,就可以计算出达到服务质量期望所需要的节点数量。需要指出的是,与大部分研究覆盖的文献不同,本文的研究不基于节点的位置信息,因此可以大大的降低硬件成本并且减少节点获得和维护位置信息的开销。模拟实验的结果表明,在随机部署条件下,服务质量期望与实验所得到的实际覆盖度的误差不大于服务质量期望的2％；而对于相同的服务质量期望和实际覆盖度,计算所得的工作节点数量与实验所得的工作节点数量的误差小于计算数量的5％,这表明我们推导出的节点数量与服务质量期望之间的关系与模拟实验结果非常吻合。本文的结果可以广泛的应用于传感器网络的节点部署、拓扑控制等领域中。
(2)提出了一种分布式的高效节能的传感器网络数据收集和聚合协议DEEG。在该协议中节点自主地根据其剩余能量以及邻居节点的信号强度来竞争簇头,同时为了减小簇头节点的能量开销,簇头之间以多跳方式将收集的数据发送到指定的簇头节点,然后通过该节点将整个网络收集的数据发送到基站。此外该协议还提出了一种简单的簇覆盖方法使得当节点密度提高时,通过随机节点调度的方法,使得簇内活动节点的数量只与簇半径和节点密度有关,因而大大的延长了传感器网络的生命周期。与相关工作相比,DEEG协议具有更长的网络生命周期和更大的监测数据采集量。
(3)提出了一种能够有效处理异构能量环境的无线传感器网络数据收集协议EADEEG。目前的基于层次结构的无线传感器网络数据收集协议,其簇头的选择主要基于单个节点的能量,然而在能量异构的传感器网络中,单纯的基于单个节点的能量作为簇头的选择参数无助于延长整个网络的寿命。在EADEEG协议中,我们提出了一个能够更好的处理能量异构场景的簇算法,该簇算法的控制消息很小且与节点数量无关。此外,在构造spanning树时,我们的算法可以保证与基站通信的节点总位于整个网络中能量最丰沛的区域。实验证明,本文提出的EADEEG协议能够优化节点的能量使用效率,同时最小化控制消息开销。
(4)讨论了影响数据收集协议性能的主要参数以及评估数据收集协议的性能指标。在统一的场景和参数下,对典型的数据收集协议和我们提出的协议的性能进行比较,并且对实验结果进行了充分的讨论。
最后对本文工作进行了总结,并探讨了无线传感器网络数据收集协议研究的进一步工作。