《无线传感器网络延迟优化的数据聚集问题研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《无线传感器网络延迟优化的数据聚集问题研究（118页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、中国科学技术大学 博士学位论又 无线传感网络延迟优化的数据聚 作者姓名： 学科专业： 导师姓名： 完成时间： 集问题研究 王培 计算机软件与理论 黄刘生教授 二O O 年五月二十六日 f l l l l l i l l l l r l t F I l IJlllfllllllll ll rlrlll fY 1816 8 2 4 U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yo fC h i n a Adi s s e r t a t i o nf o rd o c t o r Sd e gr e e R e s e a r
2、 c ho nL o w L a t e n c yD a t a A q gr e g a t i o nP r o b l e min 1 _ 一，1 _ 一 W ir e l e s sS e n s o rN e t w o r k s A u t h o r SN a m e ： S p e c i a l i t y ： b U D e r V l S O r ： 1 o Fl n i s h e dt i m e ： P e iW a n g C o m p u t e rSo f t w a r ea n dT h e o r y P r o f L i u s h e n g
3、H u a n g M a y2 6 ，2 010 中国科学技术大学学位论文原创I 生声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名：兰4 瑶 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据 库进行检索，可以
4、采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人 提交的电子文档的内在和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 幺开口保密L 年) 作者签名：主二蔓色 签字日期：兰! 翌：生：三 导师签名： 签字日期：j 2 三叫 摘要 摘要 二十世纪九十年代，随着微电子技术、嵌入式系统、无线通信技术、传感器 技术的发展，出现了低成本、低功耗、小体积的传感器节点【1 5 】。无线传感器网 络由大量具有无线通信能力的传感器节点组成，能够快速地部署在广阔的区域 内，执行数据收集、环境监测、目标跟踪等无人职守活动。在这些应用中，经常 需要对事件数目、活跃节点数目等统计信息进行查询。这些查
5、询操作主要是通过 数据聚集来完成的。因此，降低数据聚集的时间延迟对于提高无线传感器网络应 用的实时性能有着非常重要的意义，有必要对延迟优化的数据聚集问题进行研 究。 影响数据聚集时间延迟的因素很多。这些因素分布在无线传感器网络协议栈 的各个层次上。因此，本文从无线传感器网络协议栈的各个层次上对低延迟数据 聚集问题进行研究。本文的主要贡献在于： 1 ) 首先，我们提出了一种结合物理层接收信号强度的低延迟数据聚集算法。该 算法克服了传统数据聚集算法不能完全避免通信冲突( c o l l i s i o n ) 的缺点。算法 基于物理干扰模型( P h y s i c a lI n t e r f
6、e r e n c eM o d e l l 6 1 ) ，设计了一种无冲突 ( c o l l i s i o nf r e e ) 的数据聚集方案，利用物理层接收信号的强度来避免数据聚集 过程中的通信冲突。该算法首先利用最小匹配集( M i n i m u mM a t c hS e O 技术和 最大独立集( M a x i m u mI n d e p e n d e n tS e O 技术建立了用于数据聚集的树形结 构；然后在此树形结构上，设计了无冲突的数据聚集调度方案。仿真结果表 明，算法具有很好的扩放性，适合在高密度、大范围的网络中进行部署，且 对环境噪声具有很好的抗干扰能力。 2
7、 ) 其次，我们提出了一种基于M A C 层预聚集( P r e a g g r e g a t i o n ) 机制的低延迟数 据聚集算法。该算法在数据聚集中，创新地使用了预聚集方法，能够有效地 减少数据聚集过程中的信息冗余，通过降低数据聚集的传输长度达到降低数 据聚集的延迟。在数据聚集过程中，节点首先利用无线通信开放的特点，偷 听( o v e r h e a r ) 邻居节点的数据传输；然后通过预聚集( p r e a g g r e g a t i o n ) 方法，消 除自身待发送数据中的数据冗余；最后将预聚集处理后的结果发送出去用于 进行数据聚集。由于消除冗余之后的数据包长度要小于
8、正常的数据包长度， 因此可以减少数据聚集过程中的传输长度，从而降低了数据聚集的时间延 迟。仿真结果表明，算法的时间延迟比W A N 算法【7 l 中所提算法下降了6 5 ， 能量消耗下降了6 0 ，在节约延迟和能量方面取得了很好的效果。 3 ) 之后，在路由层上，我们提出了一种基于任意播( a n y c a s t ) 操作的机会式数据 聚集( o p p o r t u n i s t i cd a t aa g g r e g a t i o n ) 算法。该算法针对了无线传感器网络传输 过程中数据包丢失严重的问题，用任意播操作来进行数据传输，可以有效地 A b s t r a c t
9、A B S T R A C T W i t ht h ed e v e l o p m e n to fm i c r oe l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , e m b e d d e dt e c h n o l o g y , w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n ds e n s o rt e c h n o l o g y , t h ep u r p o s eo fp r o d u c i n gl o wc o s t ， l o wp o w e r - ，t i n y s e
10、n s o r sh a sb e e nc o m et r u e 1 1 W i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kc o n s i s t so f l a r g en u m b e r so f s e n s o rn o d e se q u i p p e dw i t hw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t I ti s w i d e l yu s e di nm a n ya p p l i c a t i o n sl i k ed a t ac o
11、l l e c t i o n ，e n v i r o n m e n tm o n i t o r i n g ，a n d t a r g e tt r a c k i n g I nt h e s ea p p l i c a t i o n s ，s t a t i s t i ci n f o r m a t i o ni so f t e nq u i r e db yu s e r s ， i n c l u d i n gt h en u m b e ro fe v e n t sa n dt h en u m b e ro fa c t i v en o d e s A s
12、t h eo p e r a t i o no f d a t aa g g r e g a t i o ni sv e r ys u i t a b l ef o rg e t t i n gt h e s ei n f o r m a t i o n s ，r e d u c i n gt h el a t e n c y d u r i n gt h ec o u r s eo fd a t aa g g r e g a t i o ni sv e r yi m p o r t a n tf o ri m p r o v i n gt h er e a l - t i m e a b i
13、 l i t yo fa p p l i c a t i o n s C o n s e q u e n t l y , i ti sn e c c e s a r yt or e s e a r c ht h ep r o b l e mo fl o w l a t e n c yd a t aa g g r e g a t i o n T h ep e r f o r m a n c eo fd a t aa g g r e g a t i o na l g o r i t h m si sa f f e c t e db ym a n yf a c t o r s d i s t r i
14、 b u t e di nd i f f e r e n tl a y e r so fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns t a c k T h e r e f o r e ，w e c o n s i d e rt h ep r o b l e mo fl o wl a t e n c yd a t aa g g r e g a t i o nf r o md i f f e r e n tl a y e r so fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns t a c k O u rc o n t
15、 r i b u t i o n so ft h i sp a p e ra l e 鹪f o l l o w s ： 1 ) F i r s t l y , w ep r o p o s eac o l l i s i o nf r e ed a t aa g g r e g a t i o na l g o r i t h mu s i n gs i g n a l s t r e n g t hr e c e i v e di np h y s i c a ll a y e r A sU n i tD i s kM o d e l I 7 J l i m i t sw i r e l e
16、 s s i n t e r f e r e n c ew i t h i nad i s ka r e a ，i n g o r i n gt h ef a c tt h a ts i g n a lp r o p a g a t e si ni n f m i t e s p a c e ，t r a d i t i o n a ld a t aa g g r e g a t i o na l g o r i t h m sb a s e do nU n i tD i s kM o d e l c a n n o t a v o i dc o l l i s i o ni nd a t aa g g r e g a t i o n T h ea l g o r i t h mp o r p o s e db yU Sc a l lo v e r c o m e t h i sp r o b l e m I ti sb a s e do nP h y s i c a
