文档介绍：中国科学技术大学
博士学位论文
无线传感器网络中低功耗的数据传输策略的研究
姓名:汪秀敏
申请学位级别:博士
专业:计算机软件与理论
指导教师:许胤龙
2011-05-01
摘要
摘要
因其广泛的应用背景,无线传感器网络的研究目前备受工业界和学术界的
重视。然而,传感器节点本身的硬件条件仍然制约着传感器网络的快速发展,
特别是传感器节点通常只能由低能量的电池供电,且其传输范围短。因此,为
了提高传感器网络的生存期,如何有效地利用有限的电池能量是设计网络协议
时需要考虑的重要因素之一。经研究表明,数据传输所消耗的能量占据传感器
能量损耗的最大部分,因此设计低功耗的数据传输策略成为无线传感器网络研
究的热点之一。通常来说,无线传感器网络有三种传输模式:传感器节点之间
的数据传输,从基站到传感器节点的数据传输以及从传感器节点到基站之间的
数据传输。
本文针对上述传感器网络中的数据传输模式,提出相应的传输策略以最小
化传输过程中所消耗的能量。具体的研究内容有三点:1)设计基于服务组合的
路由算法来完成传感器节点之间的协作,以实现基于服务组合的持续查询请求;
2)设计基于网络编码的数据分发策略,将更新数据包从基站成功传输给网络中
所有节点;3)设计基于地理信息的 K 任意组播路由协议以实现源传感器节点将
数据包成功传输给 N 个基站中的任意 K 个。在以上问题的设计中,能量损耗是
我们最关注的因素,具体的研究内容与贡献如下:
(1) 基于服务组合的持续查询路由的设计
在低工作周期的传感器网络中,提供某些服务的某些传感器节点在有些时
刻可能会处于睡眠状态,从而影响服务组合路由的运行。本文设计了一个新型
的基于线性服务组合的持续查询路由。设计的主要目标为最小化在整个持续查
询过程中所需要的路由切换次数,以减少由于路由切换而产生的能量损耗。同
时,在主要目标的基础上,进一步最小化持续查询中每个服务组合路由的通信
代价。通过这两个目标的结合,最终实现低能耗的服务组合路由。本文提出基
于贪心和动态规划相结合的算法最优化了以上的设计目标。最后,模拟结果表
明了本文的算法相比已有算法能大大降低整个服务组合查询的能量损耗。
(2) 基于网络编码的数据分发策略的研究
在无线传感器网络中,睡眠调度机制以及无线传输的不可靠性都可能导致
传感器节点丢包。本文通过综合考虑传感器节点的睡眠调度以及无线传输的丢
包率,提出了基于网络编码的数据分发机制,以使得在每个时刻,能从当前正
在发送的编码包/原始包中获取/解出对自己有用数据包的传感器节点个数的期
望值最大。本文首先证明了该问题是一个 NP 难问题,并将该问题转换成在构
I
摘要
建的虚拟图中寻找最大带权团问题。我们同时理论分析了传感器节点的睡眠概
率以及无线丢包率对网络编码收益的影响,并给出一个有效阈值来判断当前的
睡眠调度机制是否能节省基于网络编码的数据分发策略的能耗。最后,模拟结
果表明,本文提出的基于网络编码的策略能减少整个数据分发过程所需要的传
输次数。
(3) 基于地理信息的 K 任意组播路由协议的设计
在多基站的无线传感器网络中,传感器节点可能需要将自己观察到的数据
发给所有 N 个基站中的任意 K 个。对于该传输模式,传统的单播,多播等均不
能很好的支持。本文提出了一个基于地理信息的 K 任意组播路由协议,旨在将
数据包从源节点有效地传输给所有 N 个目标节点中的任意 K 个。为了成功到达
K 个目标节点,本文提出了基于迭代的路由算法。在每轮路由中,当前节点不
仅需要选择下一跳节点还需要决定每个下一跳节点需要寻找的目标节点的个
数。我们将该下一跳节点选择问题转化成在一个虚拟图中寻找最小费用最大流
问题。最后,我们分析了所提出的路由机制在每个中间节点处的算法复杂度以
及整个路由为找到 K 个目标节点所需要的轮数的期望值。实验结果表明了所提
出的算法在延迟,通信代价上均优于已有的传输机制。
关键词:无线传感器网络数据传输网络编码路由协议服务组
II
Abstract
ABSTRACT
Despite the good prospective of wireless works (WSNs), there are
still lots of design challenges, as sensor nodes are usually low-power devices with
short transmission ranges. Specifically, to increase work lifetime, it is