【正文】 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)畢業(yè)論文 [精品論文 ] 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中高效傳輸技術(shù)研究 關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 傳輸技術(shù) 多播技術(shù) 采樣技術(shù) 數(shù)據(jù)收集 摘要：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)集信息獲取、處理和傳輸為一體，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境監(jiān)控、生物醫(yī)療、城市管理和搶險(xiǎn)救災(zāi)等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用前景。傳感器網(wǎng)絡(luò)中信息傳輸是用戶分發(fā)控制信息和獲取感知數(shù)據(jù)的根本途徑，而高效的信息傳輸技術(shù)則是一種提高網(wǎng)絡(luò)能源使用效率的重要手段，其目的是在源節(jié)點(diǎn)(Source)和匯聚節(jié)點(diǎn) (Sink)之間建立信息傳輸?shù)碾p向通道，用盡可能少的傳輸開(kāi)銷(xiāo)和延遲在兩者間實(shí)現(xiàn)信息交互。然而，傳感器節(jié)點(diǎn)資源受限、網(wǎng)絡(luò)帶寬受限、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大等問(wèn)題，給高效傳輸?shù)难芯繋?lái)了巨大的挑戰(zhàn)。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的高效 傳輸技術(shù)主要包含以下兩個(gè)過(guò)程： Sink到 Source的高效控制信息分發(fā)；Source 到 Sink 的高效數(shù)據(jù)收集?，F(xiàn)有的工作主要停留在使用一些諸如單播、廣播、聚合之類(lèi)的傳統(tǒng)技術(shù)方法，這些方法普遍存在通信開(kāi)銷(xiāo)大、實(shí)時(shí)性差、可擴(kuò)展性不強(qiáng)等特點(diǎn)。本文針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的諸多特點(diǎn)和現(xiàn)有研究的不足，以最小化總的傳輸開(kāi)銷(xiāo)為目標(biāo)，從控制信息分發(fā)和數(shù)據(jù)收集兩個(gè)方向入手，系統(tǒng)地研究了高效傳輸技術(shù)涉及到的四個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題： (1)Sink 到 Source 的多播問(wèn)題；(2)Sink 到 Source 的采樣問(wèn)題； (3)Source 到 Sink 的緊 急報(bào)文聚合問(wèn)題；以及(4)Sink 與 Source 之間的雙向協(xié)同問(wèn)題，即數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查詢問(wèn)題。 本文首先分析了由 Sink 向 Source 進(jìn)行控制信息分發(fā)的多播技術(shù)，并針對(duì)現(xiàn)有對(duì)等通信模式下多播研究的通信開(kāi)銷(xiāo)大、效率不高、可擴(kuò)展性不強(qiáng)等問(wèn)題，提出了一種基于基站模式的新型多播協(xié)議 SenCast，減少了控制信息分發(fā)的傳輸開(kāi)銷(xiāo)，提高了信息分發(fā)的實(shí)時(shí)性。 SenCast 首先利用了基站較強(qiáng)的計(jì)算和存儲(chǔ)能力，用組件化的思想計(jì)算一棵全局近似最優(yōu)多播樹(shù)，并基于該樹(shù)進(jìn)行信息分發(fā)，最大限度地減少了多播傳輸開(kāi)銷(xiāo)。然后，證明了 SenCast 在解決 MNN(最小非葉節(jié)點(diǎn)樹(shù) )Steiner樹(shù)這一 NP 難問(wèn)題時(shí)，獲得了小于 ln|R|的近似率 (R 為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù) )，該近似率也是 MNN 問(wèn)題理論上的最優(yōu)近似率。最后，還針對(duì)路由時(shí)路徑長(zhǎng)、分支多的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了 SRL 和 HLB 兩種可擴(kuò)展性機(jī)制，使得 SenCast 可以解決大規(guī)模多播問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， SenCast 適用于大規(guī)模群組通信，是一種能量有效的、可擴(kuò)展性強(qiáng)的新型多播協(xié)議。 針對(duì)現(xiàn)有方法在獲得網(wǎng)絡(luò)全局信息時(shí)冗余傳輸太多，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)帶寬、節(jié)點(diǎn)資源浪費(fèi)，傳輸延遲長(zhǎng)的問(wèn)題，本文提出了一種基于多播的 “ 釋放 /捕獲 ” 采樣技術(shù) FLAKE，有效減少了獲取全局信息時(shí)的通信開(kāi)銷(xiāo)，提高了實(shí)時(shí)性。 FLAKE 是一種快速稀疏采樣技術(shù)，其基本思想是：首先在網(wǎng)內(nèi)均勻、快速地 “ 釋放 ”m 條消息種子，然后對(duì)消息種子進(jìn)行采樣，如果 m 個(gè)消息種子被 n 個(gè)節(jié)點(diǎn)收到，則目前網(wǎng)內(nèi)的工作節(jié)點(diǎn)總數(shù) n 估算為mn /m 。更重要的是，本文基于逆采樣理論開(kāi)展研究，有效解決了估算精度和采樣尺寸之間的折衷問(wèn)題，即在保證一定誤差精度的情況下，給出了最優(yōu)的消息種子數(shù) m和逆采樣的數(shù)量 m 。 FLAKE 還包含了一個(gè)分布式的稀疏采樣算法，不需要進(jìn)行任何中央式的控制，就可以在一定精度范圍內(nèi)，以很少的開(kāi)銷(xiāo)和延遲估算出網(wǎng)絡(luò)的全局狀態(tài)信息。理論分析和實(shí)驗(yàn)?zāi)M驗(yàn)證了FLAKE 在通信開(kāi)銷(xiāo)、實(shí)時(shí)性、可擴(kuò)展性等方面都獲得了較好的性能。 大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生大量突發(fā)事件時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的緊急報(bào)文，已有方法不能快速、實(shí)時(shí)地把緊急報(bào)文傳回 Sink，從而引發(fā)網(wǎng)絡(luò)擁塞。本文提出了一個(gè)基于分簇網(wǎng)絡(luò)延遲敏感的控制反饋模型 DSFC 和簇間緊急報(bào)文信道預(yù)留機(jī)制 EPCR，有效提高了緊急報(bào)文端到端傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，并減少了傳輸開(kāi)銷(xiāo)。 DSFC 模型 采用自適應(yīng)閉環(huán)控制反饋的方法，每一輪自適應(yīng)地只聚合一部分緊急報(bào)文，在保證一定數(shù)據(jù)聚合精度的基礎(chǔ)上，盡可能地減少簇內(nèi)聚合開(kāi)銷(xiāo)和延遲。 EPCR 機(jī)制優(yōu)先調(diào)度傳輸緊急報(bào)文，并為緊急報(bào)文預(yù)留信道，從而有效緩解了緊急報(bào)文和普通報(bào)文間的信道競(jìng)爭(zhēng)和路徑擁塞問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)表明，在保證相同數(shù)據(jù)精度的情況下，緊急報(bào)文的聚合等待延遲、端到端的總傳輸延遲、聚合能量開(kāi)銷(xiāo)，以及平均丟包率等方面都獲得了較好的性能。 針對(duì)目前結(jié)構(gòu)化的方法在進(jìn)行數(shù)據(jù)復(fù)本放置和查詢分發(fā)時(shí)易出現(xiàn)傳輸開(kāi)銷(xiāo)大、實(shí)時(shí)性差、熱點(diǎn)區(qū)域瓶頸等問(wèn)題，提出了一種非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)和查詢策略，有效減少了關(guān)鍵數(shù)據(jù)復(fù)本分發(fā)和查詢時(shí)總的傳輸開(kāi)銷(xiāo)，在保證查詢成功率的前提下，提高了查詢的實(shí)時(shí)性。該策略在保證一定查詢成功率基礎(chǔ)上，以最小化總能耗為目標(biāo)，建立了 MESQ 優(yōu)化問(wèn)題模型，并在存儲(chǔ)受限和不受限兩種情況下，分別給出了復(fù)本和查詢個(gè)數(shù) (d， q)，證明了其最優(yōu)性；基于MESQ 模型，設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)用的分布式實(shí)時(shí)信息分發(fā)算法 BubbleGeocast，該算法以 (d， q)作為參數(shù)，采用自適應(yīng)分支擴(kuò)散的虛擬多播技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分發(fā)，加速了復(fù)本和查詢的分發(fā)速度。分析和實(shí)驗(yàn)表明，在相同查詢成功率時(shí)， BubbleGeocast有效降低了能耗，減少了復(fù)本放置和查詢分發(fā)的延遲。 綜上所述，本文針對(duì)高效傳輸技術(shù)在信息分發(fā)和收集時(shí)的通信開(kāi)銷(xiāo)、實(shí)時(shí)性、可擴(kuò)展性等問(wèn)題，對(duì)多播、稀疏采樣、簇內(nèi)聚合、非結(jié)構(gòu)化的存儲(chǔ)和查詢等關(guān)鍵問(wèn)題提出了有效的解決方案，對(duì)于推進(jìn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)高效傳輸?shù)难芯亢蛯?shí)用化具有一定的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。 正文內(nèi)容 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)集信息獲取、處理和傳輸為一體，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境監(jiān)控、生物醫(yī)療、城市管理和搶險(xiǎn)救災(zāi)等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用前景。傳感器網(wǎng)絡(luò)中信息傳輸是用戶分發(fā)控制信息和獲取感知數(shù) 據(jù)的根本途徑，而高效的信息傳輸技術(shù)則是一種提高網(wǎng)絡(luò)能源使用效率的重要手段，其目的是在源節(jié)點(diǎn)(Source)和匯聚節(jié)點(diǎn) (Sink)之間建立信息傳輸?shù)碾p向通道，用盡可能少的傳輸開(kāi)銷(xiāo)和延遲在兩者間實(shí)現(xiàn)信息交互。然而，傳感器節(jié)點(diǎn)資源受限、網(wǎng)絡(luò)帶寬受限、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大等問(wèn)題，給高效傳輸?shù)难芯繋?lái)了巨大的挑戰(zhàn)。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的高效傳輸技術(shù)主要包含以下兩個(gè)過(guò)程： Sink到 Source的高效控制信息分發(fā)；Source 到 Sink 的高效數(shù)據(jù)收集。現(xiàn)有的工作主要停留在使用一些諸如單播、廣播、聚合之類(lèi)的傳統(tǒng)技術(shù)方法，這些方法普 遍存在通信開(kāi)銷(xiāo)大、實(shí)時(shí)性差、可擴(kuò)展性不強(qiáng)等特點(diǎn)。本文針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的諸多特點(diǎn)和現(xiàn)有研究的不足，以最小化總的傳輸開(kāi)銷(xiāo)為目標(biāo)，從控制信息分發(fā)和數(shù)據(jù)收集兩個(gè)方向入手，系統(tǒng)地研究了高效傳輸技術(shù)涉及到的四個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題： (1)Sink 到 Source 的多播問(wèn)題；(2)Sink 到 Source 的采樣問(wèn)題； (3)Source 到 Sink 的緊急報(bào)文聚合問(wèn)題；以及(4)Sink 與 Source 之間的雙向協(xié)同問(wèn)題，即數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查詢問(wèn)題。 本文首先分析了由 Sink 向 Source 進(jìn)行控制信息分發(fā)的多播技術(shù)，并針對(duì)現(xiàn)有對(duì)等通信模式下多 播研究的通信開(kāi)銷(xiāo)大、效率不高、可擴(kuò)展性不強(qiáng)等問(wèn)題，提出了一種基于基站模式的新型多播協(xié)議 SenCast，減少了控制信息分發(fā)的傳輸開(kāi)銷(xiāo)，提高了信息分發(fā)的實(shí)時(shí)性。 SenCast 首先利用了基站較強(qiáng)的計(jì)算和存儲(chǔ)能力，用組件化的思想計(jì)算一棵全局近似最優(yōu)多播樹(shù)，并基于該樹(shù)進(jìn)行信息分發(fā)，最大限度地減少了多播傳輸開(kāi)銷(xiāo)。然后，證明了 SenCast 在解決 MNN(最小非葉節(jié)點(diǎn)樹(shù) )Steiner樹(shù)這一 NP 難問(wèn)題時(shí)，獲得了小于 ln|R|的近似率 (R 為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)數(shù) )，該近似率也是 MNN 問(wèn)題理論上的最優(yōu)近似率。最后，還針對(duì)路由時(shí)路徑長(zhǎng)、分支 多的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了 SRL 和 HLB 兩種可擴(kuò)展性機(jī)制，使得 SenCast 可以解決大規(guī)模多播問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， SenCast 適用于大規(guī)模群組通信，是一種能量有效的、可擴(kuò)展性強(qiáng)的新型多播協(xié)議。 針對(duì)現(xiàn)有方法在獲得網(wǎng)絡(luò)全局信息時(shí)冗余傳輸太多，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)帶寬、節(jié)點(diǎn)資源浪費(fèi)，傳輸延遲長(zhǎng)的問(wèn)題，本文提出了一種基于多播的 “ 釋放 /捕獲 ” 采樣技術(shù) FLAKE，有效減少了獲取全局信息時(shí)的通信開(kāi)銷(xiāo)，提高了實(shí)時(shí)性。 FLAKE 是一種快速稀疏采樣技術(shù)，其基本思想是：首先在網(wǎng)內(nèi)均勻、快速地 “ 釋放 ”m 條消息種子，然后對(duì)消息種子進(jìn)行采樣，如 果 m 個(gè)消息種子被 n 個(gè)節(jié)點(diǎn)收到，則目前網(wǎng)內(nèi)的工作節(jié)點(diǎn)總數(shù) n 估算為mn /m 。更重要的是，本文基于逆采樣理論開(kāi)展研究，有效解決了估算精度和采樣尺寸之間的折衷問(wèn)題，即在保證一定誤差精度的情況下，給出了最優(yōu)的消息種子數(shù) m和逆采樣的數(shù)量 m 。 FLAKE 還包含了一個(gè)分布式的稀疏采樣算法，不需要進(jìn)行任何中央式的控制，就可以在一定精度范圍內(nèi)，以很少的開(kāi)銷(xiāo)和延遲估算出網(wǎng)絡(luò)的全局狀態(tài)信息。理論分析和實(shí)驗(yàn)?zāi)M驗(yàn)證了FLAKE 在通信開(kāi)銷(xiāo)、實(shí)時(shí)性、 可擴(kuò)展性等方面都獲得了較好的性能。 大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生大量突發(fā)事件時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的緊急報(bào)文，已有方法不能快速、實(shí)時(shí)地把緊急報(bào)文傳回 Sink，從而引發(fā)網(wǎng)絡(luò)擁塞。本文提出了一個(gè)基于分簇網(wǎng)絡(luò)延遲敏感的控制反饋模型 DSFC 和簇間緊急報(bào)文信道預(yù)留機(jī)制 EPCR，有效提高了緊急報(bào)文端到端傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，并減少了傳輸開(kāi)銷(xiāo)。 DSFC 模型采用自適應(yīng)閉環(huán)控制反饋的方法，每一輪自適應(yīng)地只聚合一部分緊急報(bào)文，在保證一定數(shù)據(jù)聚合精度的基礎(chǔ)上，盡可能地減少簇內(nèi)聚合開(kāi)銷(xiāo)和延遲。 EPCR 機(jī)制優(yōu)先調(diào)度傳輸緊急報(bào)文，并為緊急報(bào)文預(yù)留信道，從 而有效緩解了緊急報(bào)文和普通報(bào)文間的信道競(jìng)爭(zhēng)和路徑擁塞問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)表明，在保證相同數(shù)據(jù)精度的情況下，緊急報(bào)文的聚合等待延遲、端到端的總傳輸延遲、聚合能量開(kāi)銷(xiāo)，以及平均丟包率等方面都獲得了較好的性能。 針對(duì)目前結(jié)構(gòu)化的方法在進(jìn)行數(shù)據(jù)復(fù)本放置和查詢分發(fā)時(shí)易出現(xiàn)傳輸開(kāi)銷(xiāo)大、實(shí)時(shí)性差、熱點(diǎn)區(qū)域瓶頸等問(wèn)題，提出了一種非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查詢策略，有效減少了關(guān)鍵數(shù)據(jù)復(fù)本分發(fā)和查詢時(shí)總的傳輸開(kāi)銷(xiāo)，在保證查詢成功率的前提下，提高了查詢的實(shí)時(shí)性。該策略在保證一定查詢成功率基礎(chǔ)上，以最小化總能耗為目標(biāo)，建立了 MESQ 優(yōu)化問(wèn)題模 型，并在存儲(chǔ)受限和不受限兩種情況下，分別給出了復(fù)本和查詢個(gè)數(shù) (d， q)，證明了其最優(yōu)性；基于MESQ 模型，設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)用的分布式實(shí)時(shí)信息分發(fā)算法 BubbleGeocast，該算法以 (d， q)作為參數(shù)，采用自適應(yīng)分支擴(kuò)散的虛擬多播技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分發(fā)，加速了復(fù)本和查詢的分發(fā)速度。分析和實(shí)驗(yàn)表明，在相同查詢成功率時(shí)， BubbleGeocast有效降低了能耗，減少了復(fù)本放置和查詢分發(fā)的延遲。 綜上所述，本文針對(duì)高效傳輸技術(shù)在信息分發(fā)和收集時(shí)的通信開(kāi)銷(xiāo)、實(shí)時(shí)性、可擴(kuò)展性等問(wèn)題，對(duì)多播、稀疏采樣、簇內(nèi)聚合、非結(jié)構(gòu)化的 存儲(chǔ)和查詢等關(guān)鍵問(wèn)題提出了有效的解決方案，對(duì)于推進(jìn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)高效傳輸?shù)难芯亢蛯?shí)用化具有一定的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)集信息獲取、處理和傳輸為一體，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境監(jiān)控、生物醫(yī)療、城市管理和搶險(xiǎn)救災(zāi)等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用前景。傳感器網(wǎng)絡(luò)中信息傳輸是用戶分發(fā)控制信息和獲取感知數(shù)據(jù)的根本途徑，而高效的信息傳輸技術(shù)則是一種提高網(wǎng)絡(luò)能源使用效率的重要手段，其目的是在源節(jié)點(diǎn) (Source)和匯聚節(jié)點(diǎn) (Sink)之間建立信息傳輸?shù)碾p向通道，用盡可能少的傳輸開(kāi)銷(xiāo)和延遲在兩者間實(shí)現(xiàn)信息交互。然而，傳 感器節(jié)點(diǎn)資源受限、網(wǎng)絡(luò)帶寬受限、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大等問(wèn)題，給高效傳輸?shù)难芯繋?lái)了巨大的挑戰(zhàn)。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的高效傳輸技術(shù)主要包含以下兩個(gè)過(guò)程： Sink 到 Source 的高效控制信息分發(fā)； Source到 Sink 的高效數(shù)據(jù)收集。現(xiàn)有的工作主要停留在使用一些諸如單播、廣播、聚合之類(lèi)的傳統(tǒng)技術(shù)方法，這些方法普遍存在通信開(kāi)銷(xiāo)大、實(shí)時(shí)性差、可擴(kuò)展性不強(qiáng)等特點(diǎn)。本文針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的諸多特點(diǎn)和現(xiàn)有研究的不足，以最小化總的傳輸開(kāi)銷(xiāo)為目標(biāo)，從控制信息分發(fā)和數(shù)據(jù)收集兩個(gè)方向入手，系統(tǒng)地研究了高效傳輸技術(shù)涉及到的四個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題： (1)Sink 到 Source 的多播問(wèn)題； (2)Sink到 Source 的采樣問(wèn)題； (3)Source 到 Sink 的緊急報(bào)文聚合問(wèn)題；以及 (4)Sink與 Source 之間的雙向協(xié)同問(wèn)題，即數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查