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具有移动节点的无线传感器网络定位算法和数据收集协议研究

作　者: 钟智
导　师: 罗大庸; 樊晓平
学　校: 中南大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 无线传感器网络移动信标定位移动sink 分簇机制数据收集
分类号: TN929.5
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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引　用: 2次
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内容摘要

无线传感器网络以一种新的信息获取方式与处理模式,将逻辑上的信息世界和客观上的物理世界联系起来,改变人类与自然界的交互方式,实现了物理世界、计算世界以及人类社会的互通。节点定位是无线传感器网络所有应用的基础,数据收集是无线传感器网络最基本的应用。目前开展的定位算法和数据收集协议研究主要针对静态无线传感器网络。在静态的无线传感器网络中,信标节点无法完全覆盖整个网络,未被覆盖的节点只能近似估计自己的位置。移动信标的引入,很好的解决了这个问题,它们可以移动到未被覆盖的盲区,同这些节点直接通信,提供较为精准的定位坐标。同样,在静态无线传感器网络中,“热点效应”将导致网络的不连通,影响兴趣数据的收集。移动sink的出现正好解决了这个问题,它不仅可以转移高能耗区域,均衡节点的能量消耗,延长网络的生存时间,更能直接和节点通信,提高数据收集性能。为了提高定位精度、延长网络生存时间,本文针对具有移动节点的无线传感器网络展开了节点定位算法和数据收集协议的研究,主要研究成果包括：(1)基于Gauss-Markov移动模型的无线传感器网络自适应定位算法(ALA-GM)Gauss-Markov移动模型是一种随机状态运动模型,为了改进它的随机性,提出了一种基于Gauss-Markov移动模型的无线传感器网络自适应定位算法(ALA-GM)。该算法由速度调整策略、中垂线策略和虚拟力策略组成。速度调整策略可以使移动信标根据环境的改变自动的调整它的速度；中垂线策略对移动信标的轨迹进行局部调整,保证所有未知节点获得尽可能多的非共线虚拟信标坐标；而虚拟力策略不仅可以促使移动信标快速的离开已定位节点,还能使它从边界外快速的返回监测区域。理论分析和仿真实验表明,ALA-GM可以减少算法的运行时间,提高定位精度。(2)具有移动sink的无线传感器网络数据收集协议：EBRP、 CRP-FT、IGMM和FCM四种协议都可以均衡节点能耗,延缓“能量空洞”的出现。EBRP是采用分簇机制、sink随机移动的数据收集协议；CRP-FT是采用分簇机制、sink固定移动的数据收集协议；IGMM和FCM是sink随机移动或固定移动的非分簇数据收集协议。(3)事件驱动型无线传感器网络数据收集协议：EDDGP和ACBP事件驱动型数据收集协议中,兴趣事件发生后,sink移动到它的附近进行数据收集。EDDGP协议中,提出了一种自适应评估模型选出簇头,包括节点分类,模糊等级划分,评价函数和自适应网格几个步骤。当sink接收到数据请求包后,移动到信源簇头附近开始收集簇内兴趣事件。理论研究和仿真实验表明EDDGP能减小sink位置更新能耗,均衡节点能耗,延长网络的生存时间。针对兴趣事件频繁发生的场景,提出了ACBP协议。该协议首先分析了簇头分布不均匀的劣势,然后提出了近似均匀分簇准则,并考虑了簇头直接通信和簇头多跳通信两种情况。理论分析证明了ACBP优于ALURP协议,然后从sink移动次数、节点密度和通信半径三个方面对它们进行了比较。(4)具有多个移动sinks的无线传感器网络数据收集协议(MSGP)大部分的具有移动sink的研究工作只考虑了使用单个sink。而随着应用区域的扩大,离sink较远的节点传递兴趣事件消耗的能量也将增大,且实时性降低。鉴于此,提出了一种具有多个sinks的无线传感器网络数据收集协议。划定若干圆形簇头候选区域、固定成员区域和公共区域进行近似均匀分簇。Multi-sinks根据区域划分规则和自由移动规则运动,分别从数据流向、sink单轮数据收集量和网络生存时间三个方面进行了具体分析。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
第一章绪论  10-34
  1.1 无线传感器网络概述  10-17
  1.2 研究背景与意义  17-19
  1.3 相关研究工作综述  19-30
    1.3.1 具有移动信标的无线传感器网络定位算法  19-25
    1.3.2 具有移动sink的无线传感器网络数据收集协议  25-30
  1.4 论文研究内容及组织结构  30-34
第二章基于Gauss-Markov移动模型的自适应定位算法  34-56
  2.1 引言  34
  2.2 Gauss-Markov移动模型  34-36
  2.3 基于Gauss-Markov移动模型的自适应定位算法  36-45
    2.3.1 问题分析  36
    2.3.2 声音能量测量定位机制  36-37
    2.3.3 移动信标运动方案  37-45
  2.4 性能分析与仿真  45-54
    2.4.1 算法性能分析  45-48
    2.4.2 仿真实验  48-54
  2.5 本章小结  54-56
第三章具有移动sink的无线传感器网络数据收集协议  56-76
  3.1 引言  56
  3.2 具有移动sink的能量均衡分簇数据收集协议  56-65
    3.2.1 假设条件  56
    3.2.2 EBRP协议  56-60
    3.2.3 性能分析  60-63
    3.2.4 仿真实验  63-65
  3.3 具有固定移动轨迹的分簇数据收集协议  65-69
    3.3.1 CRP-FT协议  66-67
    3.3.2 仿真实验  67-69
  3.4 具有移动sink的非分簇数据收集协议  69-74
    3.4.1 问题分析  69-70
    3.4.2 非分簇随机轨迹协议  70
    3.4.3 非分簇固定轨迹协议  70-72
    3.4.4 仿真实验  72-74
  3.5 协议比较  74
  3.6 本章小结  74-76
第四章事件驱动型无线传感器网络数据收集协议  76-94
  4.1 引言  76
  4.2 事件驱动型无线传感器网络数据收集协议  76-83
    4.2.1 假设条件  76
    4.2.2 EDDGP协议  76-80
    4.2.3 性能分析  80-81
    4.2.4 仿真实验  81-83
  4.3 事件密集型无线传感器网络数据收集协议  83-92
    4.3.1 ACBP协议  84-88
    4.3.2 性能分析  88-90
    4.3.3 仿真实验  90-92
  4.4 协议比较  92-93
  4.5 本章小结  93-94
第五章具有多个移动sinks的无线传感器网络数据收集协议  94-105
  5.1 引言  94
  5.2 问题分析  94-96
  5.3 multi-sinks数据收集协议  96-101
    5.3.1 圆形分簇法则  96-97
    5.3.2 multi-sinks移动规则  97-101
  5.4 性能分析及仿真实验  101-104
  5.5 本章小结  104-105
第六章总结与展望  105-108
  6.1 总结  105-107
  6.2 展望  107-108
参考文献  108-120
致谢  120-121
攻读学位期间主要的研究成果  121-122

具有移动节点的无线传感器网络定位算法和数据收集协议研究

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