陽媛開題報告

中國礦業(yè)大學(xué)07級碩士學(xué)位研究生

選題報告從原來只能仿真網(wǎng)絡(luò)邏輯拓撲結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌蚍抡婢W(wǎng)絡(luò)的物理拓撲結(jié)構(gòu)選題名稱長帶狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究系部信息與電氣工程學(xué)院學(xué)科專業(yè) 信號與信息處理研究生姓名 陽媛指導(dǎo)教師 張申2009年6月1日填長帶狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究中國礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院碩2007陽媛1、課題的提出、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及選題依據(jù)1.1課題提出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［1］的應(yīng)用區(qū)域可以簡單的歸類為大范圍區(qū)域、帶狀區(qū)域、不規(guī)則區(qū)域等。大范圍區(qū)域為網(wǎng)絡(luò)布置區(qū)域長寬距離大，節(jié)點通信路徑豐富；帶狀區(qū)域為網(wǎng)絡(luò)布置區(qū)域長寬比較大，通信路徑有限、轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)較多；不規(guī)則區(qū)域為網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測區(qū)域不規(guī)則，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓撲不規(guī)則，通信特性不同。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究一般基于大范圍區(qū)域，有利于提高環(huán)境監(jiān)控的水平。但是，更重要的是如何將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于特殊環(huán)境，提高特殊場合的監(jiān)測通信能力。特殊環(huán)境中，如軍事戰(zhàn)線的監(jiān)控、長帶狀道路的監(jiān)測、油田管道運輸、礦井巷道的監(jiān)測以及建筑的走廊等，這幾個應(yīng)用場所的共同特性就是監(jiān)測區(qū)域為狹長的帶狀。針對這些重點監(jiān)控的帶狀區(qū)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究，將在工業(yè)、軍事和民用方面具有很高的應(yīng)用價值，值得推廣。所以本文基于帶狀區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)，提出了長帶狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定義。長帶狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲與常規(guī)研究的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲不同，需要設(shè)計特殊的網(wǎng)絡(luò)布置和路由策略。而且，長帶狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用大多環(huán)境惡劣，決定了其需要具有適合環(huán)境特性的組網(wǎng)、能耗等方案，還要滿足特殊的工作要求。1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢無線傳感器網(wǎng)絡(luò)處于新技術(shù)的最前沿，IEEE還沒有成立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的標準制定小組，國際上從2000年開始出現(xiàn)一些有關(guān)傳感器網(wǎng)絡(luò)研究結(jié)果的報道。但是，這些研究成果處于起步階段，距離實際需求還相差甚遠?？傮w而言，國內(nèi)外專家對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行了大量研究，形成了許多無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由、定位算法［2］，但是較少涉及特殊環(huán)境的應(yīng)用。隨著國內(nèi)外WSN的研究發(fā)展，許多路由協(xié)議被提了出來，從網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的角度我們可以大體把它們分為兩類：平面路由協(xié)議⑶和分簇路由協(xié)議[4]。在平面路由協(xié)議中，所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的地位是平等的、不存在等級和層次差異，它們通過相互之間的局部操作和信息反饋來生成路由。平面路由的優(yōu)點是簡單、易擴展，無須進行任何結(jié)構(gòu)維護工作，所有節(jié)點的地位平等，不易產(chǎn)生瓶頸效應(yīng)，因此具有較好的健壯性。平面路由的最大缺點在于：網(wǎng)絡(luò)中無管理節(jié)點，缺乏對通信資源的優(yōu)化管理，自組織協(xié)同工作算法復(fù)雜，對網(wǎng)絡(luò)動態(tài)變化的反應(yīng)速度較慢等。在分簇路由協(xié)議中，網(wǎng)絡(luò)通常被劃分為簇(cluster)，每個簇內(nèi)根據(jù)一定的機制算法選某個節(jié)點作為簇頭，用于管理或控制整個簇內(nèi)成員節(jié)點、協(xié)調(diào)成員節(jié)點之間的工作、負責(zé)簇內(nèi)信息的收集和數(shù)據(jù)的融合處理以及簇間轉(zhuǎn)發(fā)。目前應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位⑸技術(shù)主要有基于測距(Range-based)和無需測距(Range-free)定位技術(shù)。前者盡管精度較高，但大都需要額外地增加硬件開銷，不適用于常規(guī)傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場景；而無需測距定位技術(shù)在不需要復(fù)雜硬件設(shè)備的情況下能提供足夠的定位精度，不需知道未知節(jié)點到錨。由于傳感器節(jié)點能源、成本、體積等因素的限制，無需測距定位算法具有更高的實用性。1.3選題依據(jù)由于長帶狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有通信路徑有限、跳數(shù)多、數(shù)據(jù)量和負載分布不均衡等特點，許多現(xiàn)有的路由協(xié)議都不適用于它。在這個背景下，本課題對大規(guī)模長帶狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議進行了研究，主要集中于如何根據(jù)具體應(yīng)用環(huán)境和節(jié)點部署基礎(chǔ)，設(shè)計相關(guān)路由算法和管理原則以達到該網(wǎng)絡(luò)具有最長有效生存時間。而且，一般的定位算法M都是基于大范圍區(qū)域的，不能適應(yīng)本文提出的長帶狀區(qū)域。在大范圍區(qū)域中，錨節(jié)點均勻分布在未知節(jié)點周圍，可以達到較精確的定位效果。但是在帶狀網(wǎng)絡(luò)中，錨節(jié)點的分布往往分布在一條直線上，嚴重限制了定位算法在帶狀網(wǎng)絡(luò)的定位精度。如果在帶狀網(wǎng)絡(luò)中采用高密度錨節(jié)點，則造成了網(wǎng)絡(luò)成本的提高、通信競爭和沖突的加劇，而且也不能明顯的提高定位精度。所以，需要在保證成本的條件下，研究適合長帶狀區(qū)域的有效定位算法。所以針對已有算法的缺陷，本文選擇了長帶狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)這一課題進行深入研究。本文提出了新的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署算法，并在已有路由、定位和融合算法基礎(chǔ)上的提出了改進。2、 本課題的研究意義本文對長帶狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究可實現(xiàn)以下幾個意義：1） 、研究了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在長帶狀區(qū)域的應(yīng)用，對常規(guī)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由、定位協(xié)議的進行了分析并改進，擴大了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究范圍；2） 、考慮了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境的特性，使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究更實際，提高了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可行性；3） 、討論了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在礦井巷道、油田輸油管線、橋梁等特殊場合的應(yīng)用，有利于減少這些復(fù)雜、高危險區(qū)域的監(jiān)測不足。因此，長帶狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究，不但緊跟國際前沿學(xué)科發(fā)展，還可滿足特殊行業(yè)實際監(jiān)控的需要，是一項既有理論意義又有實用價值的課題。3、 課題的目標長帶狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究課題計劃最終能完成以下目標：1、 實地測量節(jié)點的實際可達的通信距離和丟包率，并對結(jié)果進行分析，如隨著通信距離變化，干擾對無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懀?、 設(shè)計適合長帶狀區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)部署方案；3、 比較已有的路由算法，進行仿真分析并改進，使數(shù)據(jù)傳輸更適合長帶狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；4、 設(shè)計適合長帶狀區(qū)域的定位算法，使網(wǎng)絡(luò)定位能同時滿足成本和定位率的要求；5、 應(yīng)用數(shù)據(jù)融合算法，使長帶狀區(qū)域的數(shù)據(jù)采集傳輸具有能源有效性;6、 分析應(yīng)用區(qū)域的介質(zhì)因素，提出變介質(zhì)概念，分析介質(zhì)變化對街道和整個網(wǎng)絡(luò)的影響，并進行改進使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實際應(yīng)用更可行4、課題實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)4.1非均勻簇首部署由于數(shù)據(jù)都是從源節(jié)點（遠離Sink）傳輸?shù)絊ink，所以轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)量隨距Sink的減少而成倍放大，如圖1。圖1長帶狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)量在長帶狀區(qū)域內(nèi)布置節(jié)點，可以不同于大范圍區(qū)域隨機布置節(jié)點，長帶狀區(qū)域可粗略的控制節(jié)點的間距。本課題采用異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)分簇［刀［8］結(jié)構(gòu)，成員節(jié)點的功能比較簡單，無須維護復(fù)雜的路由信息.這大大減少了網(wǎng)絡(luò)中路由控制信息的數(shù)量，減少了通信量；分簇拓撲便于管理，有利于分布式算法的應(yīng)用，可以對系統(tǒng)變化作出快速反應(yīng)，具有較好的可擴展性，適合大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。并提出了一種非均勻［9］［1。］簇首布置策略，如圖2,其具有以下優(yōu)點:①優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)中的能耗，解決了“熱區(qū)”問題；②分簇算法穩(wěn)定，形成簇的數(shù)目波動較小，有效延長了網(wǎng)絡(luò)的存活時間。105010500 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200圖2長帶狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的非均勻簇首布置非均勻簇首布置使節(jié)點覆蓋范圍不同，所以需要根據(jù)設(shè)計節(jié)點具有功率調(diào)節(jié)的節(jié)點，通過功率控制［11］調(diào)節(jié)覆蓋，并減少干擾和能耗。4.2路由算法常規(guī)路由算法應(yīng)用于長帶狀區(qū)域的最主要缺陷是不能均衡全局能耗:不能消除長帶狀網(wǎng)絡(luò)帶來的靠近Sink段的能耗遠大于其它部分，導(dǎo)致Sink不能與其他部分通信、網(wǎng)絡(luò)提前失效。所以長帶狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要設(shè)計新的路由協(xié)議。常規(guī)區(qū)域無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對路由協(xié)議［12］要求正確性、健壯性、公平性、最優(yōu)性。長帶狀網(wǎng)絡(luò)對路由協(xié)議也有以上要求，但它更注重以下特殊要求:1） 服務(wù)質(zhì)量（QoS）：長帶狀網(wǎng)絡(luò)的跳數(shù)多于普通環(huán)境中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，多跳累計后的丟包率使得數(shù)據(jù)傳輸可靠性遠低于普通網(wǎng)絡(luò)，所有長帶狀網(wǎng)絡(luò)更關(guān)系服務(wù)質(zhì)量，要求低丟包率和高信號質(zhì)量。2） 多路性：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作在惡劣的環(huán)境中，各種情況經(jīng)常會使得節(jié)點失效，所以網(wǎng)絡(luò)要求路由多路性。普通環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲往往能符合多路性，但是長帶狀網(wǎng)絡(luò)拓撲為鏈狀，單個節(jié)點的失效會導(dǎo)致通信鏈斷裂、影響整個網(wǎng)絡(luò)的效率，所以要求每個節(jié)點盡可能維護多條去往Sink節(jié)點的多條路由。3） 能耗均衡：任何節(jié)點的死亡可能導(dǎo)致路徑的中斷，所以要盡可能的保證節(jié)點能耗的均衡。由于長帶狀網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量增加，路由還需要帶有數(shù)據(jù)融合功能。從而在網(wǎng)絡(luò)資源不變的情況下，通過數(shù)據(jù)融合［13］來減少負載的不均衡性，主要為簇內(nèi)和簇間融合。1） 簇內(nèi)：同一簇內(nèi)采集到的數(shù)據(jù)具有時間和空間相關(guān)性，所以簇頭融合了成員節(jié)點的數(shù)據(jù)之后再進行轉(zhuǎn)發(fā)。在信源編碼中，利用空頻變換方法，在簇頭節(jié)點對簇內(nèi)數(shù)據(jù)去除空間上的相關(guān)性，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合，并使得SINK節(jié)點重構(gòu)恢復(fù)的數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)質(zhì)量基本相同。在時域上，可融合不同時間段的簇內(nèi)數(shù)據(jù)Ml。2） 簇間：采用分布式數(shù)據(jù)融合算法［15］簇間數(shù)據(jù)融合時需要考慮數(shù)據(jù)延遲機制，因為數(shù)據(jù)不是同時到達融合節(jié)點，所以當(dāng)一個數(shù)據(jù)到達融合節(jié)點時，必須延遲一段時間來等待其他數(shù)據(jù)到達。帶有數(shù)據(jù)融合的路由可以減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸量、降低傳輸擁塞、降低數(shù)據(jù)傳輸延遲，在一定程度上提高網(wǎng)絡(luò)收集數(shù)據(jù)的效率。4.3定位算法現(xiàn)有的絕大多數(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位算法，都采取利用錨節(jié)點參照定位的方式。在目標區(qū)域布設(shè)的大量傳感器節(jié)點中：有一部分為特殊節(jié)點，稱之為錨節(jié)點(beacon)，它們能夠通過攜帶GPS定位設(shè)備或人工手段獲得自身的精確位置，并具備比一般節(jié)點更強的能力，此類節(jié)點所占比例很??；其他未知自己位置的節(jié)點，稱為未知節(jié)點(node)，它們通過與鄰居節(jié)點(通常將傳感器節(jié)點通信半徑內(nèi)的所有其他節(jié)點稱為鄰居節(jié)點)間通信，得到錨節(jié)點的位置信息，并使用一定的計算方法得到自己的位置。但在長帶狀網(wǎng)絡(luò)中，錨節(jié)點的分布往往呈線狀，所以不能滿足定位精度的要求。本課題擬采用替代錨節(jié)點和移動錨節(jié)點算法比較在長帶狀區(qū)域的定位效果。替代錨節(jié)點定位法：所有節(jié)點先根據(jù)錨節(jié)點進行定位，對于不能定位的節(jié)點再進行二次定位。二次定位采用已經(jīng)定位的節(jié)點作為替代錨節(jié)點，再進行三角測量法定位。如果需要可增加迭代定位次數(shù)。移動錨節(jié)點定位法U6]:所有節(jié)點先根據(jù)錨節(jié)點進行定位，移動節(jié)點在檢測區(qū)域內(nèi)以勻速和一定規(guī)律運動并發(fā)送信息，不能定位的節(jié)點接收移動節(jié)點信息。未定位節(jié)點在得到移動節(jié)點發(fā)來信息時，根據(jù)接收功率計算與移動節(jié)點的距離。移動節(jié)點的位置可根據(jù)速度和運動規(guī)律以及經(jīng)過的錨節(jié)點得出，從而未知節(jié)點根據(jù)多次與移動節(jié)點的通信計算出位置。4.4仿真平臺為評價無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議算法的性能，僅通過實驗是無法實現(xiàn)的，特別是包含大量節(jié)點的大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，更是很難通過實驗來實現(xiàn)。所以，在無線傳感器網(wǎng)技術(shù)的研究中，仿真是一種既有效又經(jīng)濟的研究方法。目前的網(wǎng)絡(luò)仿真工具主要包括：OPNET、NS2、COMNET、MATLAB、SensorSim、EmStar、OMNet、G1oMoSim、TOSSIM等。針對各種仿真軟件的優(yōu)缺點，本文采用應(yīng)用較廣泛、影響力較大、免費的模擬軟件MATLAB和NS2。MATLAB"]MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，MATLAB是一種用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境。MATLAB仿真無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢：簡單易用的程序語言MATLAB語法特征與C++語言極為相似，而且更加簡單，并且這種語言可移植性好、可拓展性極強。這是本文運用MATLAB作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真工具的最主要原因，MATLAB能簡單易用可以方便的實現(xiàn)論文提出的算法和改進。強大的科學(xué)計算機數(shù)據(jù)處理能力MATLAB包含大量計函數(shù)集，包括從最簡單最基本的函數(shù)到諸如矩陣，特征向量、復(fù)雜函數(shù)等。所以使用MATLAB可以很好地解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點參數(shù)的計算問題，從而使大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的仿真可行。出色的圖形處理功能MATLAB具有方便的數(shù)據(jù)可視化和圖形處理功能，以將向量和矩陣用圖形表現(xiàn)出來，可用于科學(xué)計算和工程繪圖。所以MATLAB使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的仿真結(jié)果更加直觀，便于我們對算法性能的分析。MATLAB雖然在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的仿真方面有一定優(yōu)勢，但也存在缺少仿真模塊、代碼需要自己編寫和運行效率低等缺點。NS2U8][19]NS(NetworkSimulator)使用C++和OTCL兩種程序設(shè)計語言，NS2(NetworkSimulator-2)里面包括了大量的用于在有線或無線、本地連接或通過衛(wèi)星連接進行TCP協(xié)議、路由算法、多播協(xié)議仿真的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、調(diào)度器和工具。NS2主要致力于OSI模型的仿真，包括物理層的行為。有一些研究小組對NS2進行了擴展，使它能支持無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的仿真，包括傳感器模型、電池模型、小型的協(xié)議棧、混合仿真的支持和場景工具等。所以NS2可以非常靈活地建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)，但Tcl語言不能創(chuàng)建圖形編輯器，使用起來很不直觀和方便。另外，NS2不能進行模型分級、對數(shù)據(jù)包級進行非常詳細的仿真，接近于運行時的數(shù)據(jù)包數(shù)量，使得其無法進行大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的仿真。5、課題的創(chuàng)新性針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實際應(yīng)用，提出了長帶狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并研究了適合長帶狀區(qū)域的以下機制：1） 確定的、非均勻簇首的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)布置機制2） 帶數(shù)據(jù)融合的路由算法3） 適合長帶狀網(wǎng)絡(luò)的替代錨節(jié)點定位算法將以上機制應(yīng)用于長帶狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以減少了傳感器節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的沖突和擁塞現(xiàn)象，并均衡整個區(qū)域能耗、提高定位率。6、本課題的進度安排2009/3?2009/4整理已有的資料和研究成果，查找不足部分；查閱國內(nèi)外相關(guān)資料，跟蹤最新研究動態(tài)2009/5?2009/6確定選題和論文研究目標，做好開題報告2009/7?2009/8和改進機制構(gòu)建論文基本框架和整體理論，建立算法模型2009/9?2009/12根據(jù)需要分別在MATLAB、NS2平臺實現(xiàn)算法2010/1?2010/2對比仿真結(jié)果和理論預(yù)測，并優(yōu)化算法和仿真2010/3?2010/6總結(jié)所有研究成果、撰寫論文，答辯參考文獻ZhangXH.AutomaticCalibrationofMethaneMonitoringBasedonWirelessSensorNetwork[C].InternationalConferenceonWirelessCommunications，NetworkingandMobileComputing，2008:1-4.李宜安.基于IEEE802.15.4標準的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究[D].東南大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006:22-25.楊珉.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多播路由技術(shù)研究[D].復(fù)旦大學(xué)博士學(xué)位論文,2006:20-29.李捷，陳志國，李致遠.基于混合分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議[J].計算機科學(xué)，2008,35(8):32-34.蔣小蘭.無需測距的WSN節(jié)點自定位算法研究[D].西南交通大學(xué)研究生學(xué)位論文，2007:11-32.王晟.無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點定位與覆蓋控制理論及技術(shù)研究[D].武漢理工大學(xué)博士學(xué)位論文,2006:20-48.張立，霍林.基于簇頭繼承的傳感器網(wǎng)絡(luò)聚簇協(xié)議[J].計算機應(yīng)用與軟件，2007,24(8):134-135.李捷，陳志國，李致遠.基于混合分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議[J].計算機科學(xué)，2008，35(8):32-34.李成法，陳貴海，葉懋.一種基于非均勻分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議[J].計算機學(xué)報，2007,30(1):28-3.王毅，張德運，梁濤濤.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分區(qū)能耗均衡的非均勻分簇算法[J].西安交通大學(xué)學(xué)報，2008，42(4):389-393.馬婭婕，趙大勝，王玉明，何建華.基于功率控制的傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命延長算法[J].計算機工程與應(yīng)用，2005，21:4-6.HuangCH，C