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1、国防科学技术大学 硕士学位论文 容迟无线传感网中卫星辅助的数据收集方法研究与设计 姓名：罗青春 申请学位级别：硕士 专业：计算机技术 指导教师：彭伟 2011-04 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 第 i 页 摘 要 无线传感网络在众多领域有着广阔的应用前景，它被认为是二十一世纪最重 要的技术之一，已经成为近年来学术界的研究热点。数据收集是大多数无线传感 网应用的基本功能，而在实际环境中，无线传感器节点的随机部署，节点的通信 范围通常较小，节点的能量较低等情况都可能导致网络无法连通或连通性差，使 得无线传感网不能有效工作。本文以广域部署的稀疏无线传感网为背景，给出卫 星辅助的容迟无线
2、传感网系统结构，提出基于凸包的数据收集算法，为有效解决 广域稀疏无线传感网在复杂环境中数据收集的难题提供了参考。 主要研究内容与创新包括： （1）着眼于解决广域稀疏无线传感网在地处偏远和环境恶劣应用中数据收集 的难题，对现有无线传感网数据收集模型和容迟无线传感网数据收集现状进行了 分析，在对卫星通信和数据骡子（Data Mule）进行研究的基础上，提出了卫星辅 助的容迟无线传感网系统结构。通过通信卫星向目标区域发送指令，利用数据骡 子在无线传感网中收集数据，再通过通信卫星回传数据，可以较好地解决网络连 通、能量有限、远程通信等问题。 （2）为了提升卫星辅助的容迟无线传感网系统的效果，对数据骡子
3、的运动路 径进行了规划，提出了基于凸包的数据收集算法，为数据骡子在无线传感网中收 集数据提出了一条较优化的路径。 （3）结合卫星辅助的容迟无线传感网系统的特点，设计了 DTSN-S 通信协议 的消息格式、命令种类和协议流程。 （4） 搭建了实验验证平台， 重点对基于凸包的数据收集算法效果进行了评测。 模拟结果表明，基于凸包的数据收集算法提高了数据传输的成功率，减少了网络 延迟。 主题词：无线传感网，数据收集，卫星通信，数据骡子，通信协议 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 第 ii 页 ABSTRACT Wireless sensor networks have wide-range p
4、otential applications. It has been considered as one of the most important techniques of the 21th century, and has attracted a great deal of research interests in recent years. Data collection is the basic funtion of applications in wireless sensor networks. However, wireless sensor networks may not
5、 work effectively in the scenarios where no or extremely low connectivity exists due to sensor nodes random deployment, sparse network density, sensor energy exhaustion and so on. This paper aims at the sparse wireless sensor network deployed in wide area. The satellite-aided delay-tolerant wireless
6、 sensor network scheme is designed, then the convex hull-based algorithm is proposed. It provides a candidate solution to the problem of data collection in sparse wireless sensor networks deployed in wide area and complex environments. (1) In order to solve the problem of data collection in sparse w
7、ireless sensor networks deployed in wide area, which is in remote complicated environment, we analyze some data collection models in wireless sensor networks and study the constraints of data collection in delay-tolerant wireless sensor networks, and then propose the satellite-aided architecture for
8、 delay-tolerant wireless sensor networks, which is based on the techniques of satellite communication and Data Mule. In this scheme, the management center sends instructions to target areas through satellite communication, then Data Mules collect data in the wireless sensor network and send the data
9、 back to the management center through satellite communication. This approach can solve the problems such as network connectivity, limited energy, remote communications. (2) In order to improve the efficiency of data collection, we study the problem of planning the movement path of Data Mule, and pr
10、opose the convex hull-based algorithm for the problem, which can construct a cost-effective path for Data mules. (3) Based on the satellite-aided delay-tolerant wireless sensor network scheme, we design the message format, command types and protocol processes for DTSN-S communication protocol. (4) W
11、e establish the platform of experiments for the system, carry out the simulations of the system, and evaluate the efficiency of the convex hull-based data collection algorithm. The simulation results show that the algorithm improves the success rate of data transmission and reduces the network laten
12、cy. Key Words：wireless sensor network, data collection scheme, satellite communication, Data Mule, communication protocol 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 第 III 页 表 目 录 表 4.1 基于凸包的数据收集算法参数描述. 31 表 5.1 命令格式. 35 表 6.1 模拟相关参数设置. 43 国防科学技术大学研究生院工程硕士学位论文 第 IV 页 图 目 录 图 2.1 无线传感网的数据收集结构. 7 图 2.2 无线传感网的数据收集模型. 8 图 2.3 基于 Ferry 的 DTN 应用场景. 10 图 2.4 数据骡子三层体系结构. 13 图 2.5 卫星通信示意图. 15 图 3.1 无线传感器节点无线通信模块的能量消耗38. 18 图 3.2 无线传感网的单位圆图. 20 图 3.3 卫星辅助的容迟无线传感网系统结构. 20 图 3.4 数据骡子获取无线传感器节点初始位置信息的搜索路径. 21 图 4.1 随机收集数据算法. 26 图 4.2 贪婪算法示意图. 27 图 4.3 贪婪算法.
