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移动传感网中低延迟高可靠数据收集协议研究

移动传感网中低延迟高可靠数据收集协议研究

作者：邹绍军广西大学

学位级别：硕士

无线传感器网络(Wireless sensor network,简称WSN)是一种由大量具有传感、数据处理、无线通信能力以及能量有限且无法补充的节点自组织而成的多跳网络。近年来,与传感器网络相关的应用在我们现实生活中不断的涌现,如医学上对病人的健... 详细信息

无线传感器网络(Wireless sensor network,简称WSN)是一种由大量具有传感、数据处理、无线通信能力以及能量有限且无法补充的节点自组织而成的多跳网络。近年来,与传感器网络相关的应用在我们现实生活中不断的涌现,如医学上对病人的健康监测等。WSN已成为一种新型的信息采集系统,应用于诸多领域进行数据收集。数据收集是指网络中的节点将感知或采集到的数据发送给Sink以供用户做进一步处理的过程。由于不同的数据收集协议对网络生命周期和数据收集延迟有很大的影响。因此我们需要设计一个合理且可行的数据收集协议,使得各节点保存能量从而延长网络的工作时间,并使得数据收集延迟尽可能小。然而,早期的研究者主要是针对静态WSN(即网络中不存在移动节点)研究数据收集协议。静态WSN存在一系列的问题,如容易出现能量空洞等。为了克服静态WSN中存在的问题,研究者提出了移动传感网。移动传感网是指无线传感器网络中存在具有移动能力的节点。目前,移动传感网中设计的数据收集协议仍然存在诸多不足。为此,本文针对在移动传感网中收集数据做进一步研究,并在不同的网络场景下设计了相应的数据收集协议。(1)针对静态无线传感器网络,利用移动数据收集器收集数据并提出了一种延迟限定的完全非汇聚数据收集算法DOTE(delay-constrained data collection without aggregation)。该算法在构建的最短路径树上选取采集点和逗留点,使得逗留点尽可能的向Sink靠近。仿真实验证明,DOTE算法不仅能够延长网络生命周期,而且能够缩短移动数据收集器收集数据游走的路径长度从而缩短数据收集延迟。(2)针对Sink和节点都是随机移动的无线传感器网络,提出了一种基于定向角度路由数据收集算法ROAR(random orientation angle routing data collection algorithm)。节点通过预测算法确定移动Sink的位置,并采用定向角度的路由策略来传输数据,.以便实现节点快速将数据转发给移动Sink且有效均衡节点的能量消耗。仿真实验表明,ROAR算法不仅能够有效地延长网络生命周期而且能够减少能量开销并缩短收集一轮数据所需的时间。

关键词：无线传感器网络移动数据收集路由角度传输网络生命周期延迟限定

无线传感器网络移动充电低时延数据收集策略研究

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无线传感器网络移动充电低时延数据收集策略研究

作者：于志博天津大学

学位级别：硕士

无线传感器网络(WSNs,wireless sensor networks)中,采用移动无线充电并完成数据收集,改善了节点能量分布的均衡性,延长了网络使用寿命。但考虑到移动设备速度的限制,会给数据收集带来一定的时延。在保证网络可持续运行的情况下,以优化... 详细信息

无线传感器网络(WSNs,wireless sensor networks)中,采用移动无线充电并完成数据收集,改善了节点能量分布的均衡性,延长了网络使用寿命。但考虑到移动设备速度的限制,会给数据收集带来一定的时延。在保证网络可持续运行的情况下,以优化数据收集时延为目标,本文研究了多用途移动设备(MPMD,multipurpose mobile device)对传感器节点充电并收集数据的时延优化问题,提出了基于MPMD移动充电低时延数据收集策略,并对该策略进行了理论分析和仿真验证。主要工作如下:(1)研究了WSNs移动充电低时延数据收集问题。将MPMD引入WSNs进行充电和数据收集,提出了网络持续运行情况下的低时延移动数据收集问题。(2)将网络移动充电低时延数据收集问题转化为中继跳数约束下的最短路径问题(SPRH,the shortest path problem under the relay hop constrains)。通过对接收数据/充电时间、移动时间、路径长度、数据收集时间、最大数据收集时延、能量约束与中继跳数之间关系的分析及理论推导,将网络移动充电低时延数据收集问题转化为SPRH问题。(3)设计了求解SPRH问题的基于节点充电权值的贪婪启发式算法(NCWG,node charging weight based greedy heuristic algorithm)。本文证明了SPRH问题为NPC问题,依据中继跳数和路径长度关系设计了节点充电权值,并基于节点充电权值采用贪婪算法确定充电节点集及移动路径。(4)改进得到了基于节点充电权值寻优的启发式算法(NCWO,node charging weight optimization based heuristic algorithm)。考虑到改变路径长度增加量和中继跳数减少量的影响程度,会使节点充电权值发生变化,设计了可调节的节点充电权值,并通过粒子群算法寻找最优的节点充电权值,再根据最优的节点充电权值获得充电节点集及移动路径。NCWO算法比NCWG算法获得的路径长度更短。(5)提出了基于MPMD移动充电低时延数据收集策略。该策略根据节点能量以及NCWG或者NCWO算法建立充电节点集;以充电节点为虚拟簇头建立虚拟簇并传输数据;MPMD沿规划路径依次在各簇内收集数据。仿真结果证明该策略在保证网络寿命的前提下有效降低数据收集时延,并分析了充电功率、数据传输速率、采集速率、移动速度对路径长度及数据收集时间的影响。

关键词：无线传感器网络无线充电移动数据收集低时延中继跳数

无线可充电传感器网络中充电和数据收集算法研究

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无线可充电传感器网络中充电和数据收集算法研究

作者：徐国伟合肥工业大学

学位级别：硕士

目前,无线传感器网络多采用电池进行供电,在缺乏人工维护的情况下只能维持有限的工作寿命。而且,大部分无线传感器网络应用的部署区域较为偏远或者环境恶劣,如火山监测、军事敌后侦察等,无线传感器网络获得人工维护非常困难。网络中多... 详细信息

目前,无线传感器网络多采用电池进行供电,在缺乏人工维护的情况下只能维持有限的工作寿命。而且,大部分无线传感器网络应用的部署区域较为偏远或者环境恶劣,如火山监测、军事敌后侦察等,无线传感器网络获得人工维护非常困难。网络中多对一的数据收集方式和不均匀的数据分布,使得各节点的能耗极不均衡,某些节点可能因能耗过大而提前死亡,严重影响了网络性能,甚至使得网络瘫痪。采用人工维护的方式成本较高,且当网络规模较大时缺乏实用性,从环境获取能量的方式局限性较大,而通过新兴的无线充电技术结合移动式数据收集为延长网络寿命,均衡节点能耗提供了新的解决方案。配备可充电传感器节点和无线充电设备（WCE）的无线可充电传感器网络,通过WCE移动到节点附近为节点补充能量。WCE同时配备数据收集模块,在充电的同时进行数据收集,需设计合理的充电和数据收集算法才能有效延长网络寿命,均衡节点间能耗。本文在WCE移动距离受限的情况下,针对二维无线传感器网络中能量受限及能耗不均衡问题,提出了基于非均匀分簇的无线充电和数据收集算法。在综合考虑监测区域和WCE最大充电范围的基础上,设计了一种非均匀分簇方法。分析网络中数据流、节点能耗和WCE的移动特性,采用蚁群系统求解节点的最佳路由路径,在延长网络寿命的基础上均衡节点能耗,提高网络内能量利用率。在仿真实验中得到了算法相关参数的最优取值,相比于Mdcr算法,在网络内能量利用率方面平均提高61.64%,在节点存活率方面提高5%。进一步考虑在WCE充电能量和移动距离均受限的情况下,提出了一种无线充电和WCE辅助移动数据收集算法,采用一对一的充电方式以获得更加均衡的充电功率。以最小化WCE充电能量消耗为目标,综合考虑网络内数据流、节点的能耗模型和WCE的移动特性,建立优化模型。设置节能系数,用于计算WCE辅助收集数据量。综合考虑节点剩余能量、邻居节点数目和已作为锚点次数,设计了一种锚点选择算法,充分利用有限的移动距离为尽可能多的节点补充能量。运用拉格朗日对偶分解和次梯度算法求解优化问题,优化节点的充电量和路由。仿真结果表明锚点选择算法在提升网络内平均剩余能量方面优于仅考虑节点剩余能量的锚点选择算法;相比于第三章所设计算法,在牺牲一部分网络内能量利用率的情况下,能够有效避免节点死亡。

关键词：无线可充电传感器网络无线充电移动数据收集

面向物联网低延迟数据收集的无人机路径规划算法研究

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面向物联网低延迟数据收集的无人机路径规划算法研究

作者：张俊琪四川大学

学位级别：硕士

近年来,物联网相关技术飞速发展,物联网也被广泛应用于环境监测,智慧城市,目标跟踪等多个场景中。在物联网应用场景中,如何高效收集物联网设备的数据一直是研究的热点问题。在网络规模较大的物联网中,通常需要部署大量用以监测并转发数... 详细信息

近年来,物联网相关技术飞速发展,物联网也被广泛应用于环境监测,智慧城市,目标跟踪等多个场景中。在物联网应用场景中,如何高效收集物联网设备的数据一直是研究的热点问题。在网络规模较大的物联网中,通常需要部署大量用以监测并转发数据的物联网设备,而这会带来昂贵的部署成本。并且,如果在极端环境(如:发生自然灾害的区域,火山等)中部署的物联网设备来获取周围环境的信息,收集设备获取的信息是极其困难的。利用低成本,高移动便捷性的无人机(Unmanned Aerial Vehicles,UAVs),物联网设备的数据采集工作可以由无人机直接飞往各物联网设备的位置完成,而这将大大减少用以转发数据而需要的物联网设备数量,能在一定程度上降低物联网设备部署的成本。同时,地面上的无线通讯信号会因为各种障碍物而发生散射,进而导致信号的迅速衰减。而位于空中的无人机拥有广阔的无线通讯范围,避免了此类无线信号衰减过快的问题。在传统物联网数据收集的研究中,通常使用部署一个或多个移动基站的方式。移动基站可以直接移动到各个物联网设备的位置进行数据收集,这也能减少用以转发数据的物联网设备的数量,从而节约部署成本。但移动基站难以跨越河流,悬崖等障碍,同时不利于极端环境下的工作。于此同时,移动基站运行于地面上,移动基站和物联网设备之间的无线信号会因障碍物而发生散射,造成信号衰减迅速。也有部分文献研究部署一个或者多个无人机进行物联网网络的数据收集,但是这些文献的目标在于最小化能耗,最大化数据收集量,最小化无人机飞行距离等方面,而关于最小化无人机数量的研究非常少。最小化无人机数量的问题类似于最小圈覆盖问题,而目前的最小圈覆盖问题的研究中提出算法的近似比还能进一步提升,即在同样的条件下还可以部署更少数量的无人机。最小化无人机数量的问题也类似于现有部分文献中研究的有邻域旅行商问题(Travelling Salesman Problem with Neighborhoods,TSPN),但这些文献优化的目标是最小化无人机的飞行距离。与现有的研究不同,本文考虑了一个使用最少数量的无人机并且找到它们数据收集路径的问题。本文关注的重点在于最小化无人机的数量,而不是最小化无人机的飞行距离。为了确保所收集数据的低延迟性,文中给研究的问题设定了一个严格的要求,即每个无人机飞行所花费的总时间(包括无人机飞行时间和无人机数据收集时间)必须不大于给定的最大数据收集延迟,例如:20分钟。否则,收集到的数据就会失去时效性,例如:用以监测森林火灾隐患和PM2.5含量的物联网应用中,延迟的数据往往不利于的灾害防治。考虑了实际应用场景的需求,本文研究了无邻域和有邻域两种情况下的无人机最小数量部署问题。其中,无邻域的情况针对物联网设备数据传输范围较短的应用,要求无人机需要飞到每个物联网设备的位置才能收集数据。有邻域的情况针对物联网设备数据传输范围较长的应用,即只要无人机和物联网设备的欧氏距离不大于给定的无线传输范围,无人机就可以收集数据。本文针对无邻域和有邻域两种情况下的物联网网络进行了建模,提出了无邻域和有邻域两种情况下的无人机最小数量部署问题,并证明了该问题是NP-hard问题,无法在多项式时间内找到最优解。对于无邻域无人机最小数量部署问题,本文提出了一种新颖的近似比为4的算法approAlgNoNei,该算法改进了目前为止具有最佳近似比为4(?)的算法。即,本文提出的算法可以得到更少数量的无人机。对于有邻域无人机最小数量部署问题,本文首次提出了常数因子的近似算法approAlgNei。此外,本文通过大量实验评估了所提出算法的性能。针对无邻域无人机最小数量部署问题,本文将所提出的近似算法approAlgNoNei与算法BTCAlg,算法MCCPAlg1和算法MCCPAlg2进行对比。实验结果显示,算法approAlgNoNei得到的所部署无人机的数量比其它三个算法少11%至19%。针对有邻域无人机最小数量部署问题,本文将所提出的算法approAlgNei与未考虑邻域的算法BTCAlg,算法MCCPAlg1,算法MCCPAlg2和算法approAlgNoNei,以及考虑邻域的算法minMaxNei进行对比。实验结果显示,考虑邻域的算法所得到的无人机数量大大小于未考虑邻域的算法所得到的无人机数量。同时,算法approAlgNei所得到的无人机数量比算法minMaxNei所得到的无人机数量少14.5%至18%。

关键词：移动数据收集多无人机调度基于邻域的最小圈覆盖近似算法

可充电移动节点在水域监测无线网络中的应用研究

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可充电移动节点在水域监测无线网络中的应用研究

作者：钞凡贵州大学

学位级别：硕士

水质在线监测是对水环境进行有效管理的重要措施。目前,环境水质监测工作正在向自动化、智能化和网络化的方向发展。在传统无线传感器网络（WSN）的水域监测系统中,数据通过多跳传输到固定的基站,然而多跳传输会导致能量空洞、网络能耗... 详细信息

水质在线监测是对水环境进行有效管理的重要措施。目前,环境水质监测工作正在向自动化、智能化和网络化的方向发展。在传统无线传感器网络（WSN）的水域监测系统中,数据通过多跳传输到固定的基站,然而多跳传输会导致能量空洞、网络能耗不均衡,数据传输不可靠等问题。采用移动汇聚节点进行数据收集和无线充电,既能改善网络能耗的均衡性,提高数据收集的可靠性和灵活性,又能延长网络的使用寿命。本文研究了在水域监测无线网络中,可充电移动节点（RMN）作为移动汇聚节点对分层网络中的簇头节点进行数据收集的路径优化问题,主要提出了在单个RMN的场景下基于能量预测的路径规划算法和在多个RMN场景下基于比值的路径均衡算法,并对其进行了理论分析和仿真验证,主要工作如下:（1）分析了无线传感器网络的特点,研究了在水域监测的环境下,网络中需要解决的问题;（2）在水域监测无线网络中,针对部分关键节点任务重,能耗大,生命周期短的问题,提出了一种针对水域监测的普通节点、可充电的传感器节点和可充电的移动节点协同工作的混合无线可充电传感器网络（HWRSN）模型。给部分承担的任务重,能耗高的关键节点配备无线能量收发设备,同时作为移动汇聚节点的停留点,向RMN传输数据并获得能量补充;（3）研究了网络的覆盖问题。在基于随机的静态节点布置方法中通过基于邻接矩阵图的连通性准则判断节点连通性和网络覆盖率,确定传感器节点合适的数量,在尽量减少布置的节点数的情况下,达到预期的覆盖率目标;（4）提出了一种使用动态聚类算法进行分簇的方法。为了提高网络的可扩展性,同时均衡网络能耗,基于距离这一准则使用改进的K均值算法将传感器节点聚类分簇,并产生聚类中心作为可充电节点即簇头节点的布置点;（5）在单个RMN的场景下,由于单个RMN的能量有限,很难一次性完成大规模水域监测无线网络中的数据收集任务,提出了一种基于能量预测的路径规划算法,使得移动节点能够在自身能量有限的情况下,合理规划路径,最小化移动路径,完成数据收集任务;（6）在多个RMN的场景下,为了使多个RMN更好的协同工作,提出了一种基于比值的路径均衡算法（PEABR）,对RMN的路径做出调整,进一步减小和均衡RMN的路径长度使其满足约束条件,优化路径规划方案;（7）对网络的覆盖策略、分簇策略以及基于能量预测的路径规划算法和基于比值的路径均衡算法进行了仿真并对特定场景下移动数据收集的数据传输可靠性进行了实验,验证了水域监测无线网络设计方案的可行性与有效性。

关键词：无线传感器网络可充电移动节点移动数据收集网络覆盖率动态聚类路径优化

无线可充电传感网络的数据收集与充电策略研究

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无线可充电传感网络的数据收集与充电策略研究

作者：陆航北京邮电大学

学位级别：硕士

近年来,传感网络经历了从有线连接到无线组网的关键演变。尤其是无线可充电传感网络技术的兴起,使得传感器能够适用于更加复杂和恶劣的应用环境。然而,在利用固定基站收集数据的传感网络中,传感器节点的转发负载极不均衡。这种特性造成... 详细信息

近年来,传感网络经历了从有线连接到无线组网的关键演变。尤其是无线可充电传感网络技术的兴起,使得传感器能够适用于更加复杂和恶劣的应用环境。然而,在利用固定基站收集数据的传感网络中,传感器节点的转发负载极不均衡。这种特性造成部分传感器节点的能耗过高,而较其他传感器更容易耗尽能量。但随着无线传感器的广泛应用,业界对传感网络的长期和稳定运行提出了更高的要求。因此,开展无线可充电传感网络的关键技术研究具有非常重要的意义。针对无线可充电传感网络的数据收集与充电策略,本文的研究工作主要从以下几个方面展开:针对单一固定基站的传感网络模型,提出了一种基于模拟退火算法的能量均衡数据收集策略。该策略首先给出了基于广度优先搜索的节点分层和路由初始化方法,并基于分层的路由结构建立了以平衡节点间能耗为目标的优化问题。为快速求解,一种基于模拟退火算法的启发式算法被提出。通过逐层优化节点间的链路,最终获得能量均衡性能最优的路由树。仿真结果表明,所提出的基于模拟退火算法的能量均衡数据收集策略较传统基于最短路径算法的策略有更长的无节点死亡运行时间,并且能量均衡性能和能量利用效率更优。针对双基站协作的传感网络模型,提出了一种基于模拟退火算法的联合数据收集和充电策略。该策略首先建立了以平衡传感器节点能耗为目标的联合优化问题。为降低求解的难度,该优化问题被分解为路由优化和充电路径优化两个子问题。两种基于模拟退火算法的启发式算法被提出以求解对应的子问题。通过分别求解子问题的最优解,最终获得联合优化问题的最优解集。仿真结果表明,所提出的基于模拟退火算法的联合优化策略具有比传统策略更优的能量均衡性能,并提高了低能量节点的剩余能量。综上,本文提出的无线可充电传感网络的数据收集与充电策略能有效提高节点间能量的均衡性,并减少高能耗低能量节点的数量。进而延长了网络运行时间,提升了网络稳定性,具有一定的应用价值。

关键词：无线传感网络移动数据收集无线充电能量均衡

基于最小化充电代价的传感网能量饥饿避免策略研究

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基于最小化充电代价的传感网能量饥饿避免策略研究

作者：任春晖南京邮电大学

学位级别：硕士

在传统的无线传感器网络中,为了解决因能耗不均和电池容量短缺等原因造成的“能量饥饿”问题,研究者们设计了一系列能量高效利用策略用来减少传感器节点能耗。这样虽然缓解了上述情况,但网络能量利用率较低且无法保证网络的长久运行。... 详细信息

在传统的无线传感器网络中,为了解决因能耗不均和电池容量短缺等原因造成的“能量饥饿”问题,研究者们设计了一系列能量高效利用策略用来减少传感器节点能耗。这样虽然缓解了上述情况,但网络能量利用率较低且无法保证网络的长久运行。在传感器网络中,如何在短时间内采用高效节能的方案将采集到信息传输到基站,向来都是研究的热点。近年来,无线能量传输技术与高能量密度锂电池技术的发展几乎解决了无线可充电传感器网络能量瓶颈问题,引起了学者们的广泛关注。为提高无线可充电传感器网络的使用性能,使得整个网络中节点能耗均衡并延长网络生命期,本文提出了一种基于不同网络形状的虚拟数据采集点的划分方法,在网络中定义若干均匀分布的虚拟数据采集点,在每一轮数据收集过程中,数据采集小车（DGV）仅需移动至每一个虚拟数据采集点进行数据采集,既不需要在网内选出“簇头”,又无需让DGV遍历每个节点。同时提出了一种周期性数据收集方案,采用了分布式多跳数据上传与分区域移动数据收集相结合的方式,高效的实现数据收集。随后介绍了一种确定性部署下的节点休眠调度方法,在此基础上,提出了一种“周期性”与“响应式”相结合的“两阶段”充电方式。仿真结果表明,在与已有算法的比较中,无论是在不同充电功率、无线充电小车（WCV）移动功率还是节点能量消耗率的情况下,本方法均有不错的表现,具有一定的扩展性。

关键词：无线传感器网络能量饥饿移动数据收集无线充电能耗均衡

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对大规模传感器网络应用面临问题的思考

中兴通讯技术 2012年第2期18卷 10-14页

作者：孙利民刘伟中国科学院信息工程研究所北京100190

资源受限和环境干扰使得无线传感器网络大规模应用面临诸多问题,包括流量不均衡、功能与需求失衡、理论与实际失衡等。文章在分析这些问题的基础上,结合当前技术的发展和应用需求,从传感器网络应用架构、体系结构、稀疏网络部署下的数... 详细信息

资源受限和环境干扰使得无线传感器网络大规模应用面临诸多问题,包括流量不均衡、功能与需求失衡、理论与实际失衡等。文章在分析这些问题的基础上,结合当前技术的发展和应用需求,从传感器网络应用架构、体系结构、稀疏网络部署下的数据传输及大规模传感器网络的仿真、测试技术等方面,给出了对大规模传感器应用的一些思考。

关键词：大规模传感器网络系统架构体系结构移动数据收集仿真与测试

无线传感器网络数据收集的多无人机调度算法研究

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现代计算机 2021年第4期27卷 33-37页

作者：张俊琪四川大学计算机学院成都610065

目前,物联网技术已取得飞速发展。物联网设备应用于环境监测、建筑监测、森林监测,无线传感器就是其中的一种。传统的无线传感器采用多跳的方式将收集到的数据传给基站。但是,此方法在大规模传感器网络中会损失大量的能量,一旦能量耗尽... 详细信息

目前,物联网技术已取得飞速发展。物联网设备应用于环境监测、建筑监测、森林监测,无线传感器就是其中的一种。传统的无线传感器采用多跳的方式将收集到的数据传给基站。但是,此方法在大规模传感器网络中会损失大量的能量,一旦能量耗尽传感器就会停止工作,因此,我们采取部署多无人机的方式去收集无线传感器网络的数据,一方面无人机具有简单、灵活、方便部署的特点。其次,无人机能够跨越危险地带,这是传统只能在地面的可移动基站所不具备的特点。本文提出两种算法,分别是在无邻域和有邻域的情况下。最后通过仿真实验证明所提出的算法的有效性。

关键词：移动数据收集多无人机调度无线传感器网络