災(zāi)難場景下基于數(shù)據(jù)持久性的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集協(xié)議研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)因其快速部署、無需人值守、不受有限網(wǎng)約束、成本低等優(yōu)勢，在火災(zāi)、泥石流和洪水等的災(zāi)難預(yù)警方面扮演著越來越重要的角色。在這類災(zāi)難環(huán)境中，傳感器節(jié)點面臨無規(guī)則的區(qū)域性的毀壞，這很大的增加了數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險。數(shù)據(jù)持久性是檢驗數(shù)據(jù)有效性的重要指標(biāo)。在災(zāi)難環(huán)境中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的毀壞直接導(dǎo)致了數(shù)據(jù)的丟失。同時，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸時延大大增加了數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險。因此，如何提高災(zāi)難場景下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)持久性是一項非常有意義和挑戰(zhàn)性的研究。

2、
　　許多不同特性的網(wǎng)絡(luò)編碼技術(shù)被許多學(xué)者運用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，用以提高網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)持久性，其中以GC（Growth Codes）編碼技術(shù)及相關(guān)的后續(xù)研究最具有代表性。GC數(shù)據(jù)收集協(xié)議（GCP）通過增量編碼較好的提高了網(wǎng)絡(luò)的持久性，然而因其在零配置網(wǎng)絡(luò)下完全隨機的數(shù)據(jù)交換方式使得匯聚節(jié)點頻繁的收集到離該節(jié)點距離近的數(shù)據(jù)的冗余副本，導(dǎo)致數(shù)據(jù)收集的效率并不理想，嚴(yán)重影響到了網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的持久性，尤其在數(shù)據(jù)收集的后期和稀疏的網(wǎng)絡(luò)中。

3、>　　針對災(zāi)難場景下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)如何提高數(shù)據(jù)持久性的問題，本文在GC編碼技術(shù)及其相關(guān)的理論成果的基礎(chǔ)上提出了數(shù)據(jù)包分級策略、新的數(shù)據(jù)傳輸概率函數(shù)、分級數(shù)據(jù)包的快速融合策略、通信節(jié)點動態(tài)選擇機制等方法，在各種網(wǎng)絡(luò)各種類性的災(zāi)難環(huán)境下很大程度的提高了協(xié)議的數(shù)據(jù)收集效率，同時網(wǎng)絡(luò)的魯棒性并不會降低。本文的研究內(nèi)容如下：
　?。?）針對GC數(shù)據(jù)收集協(xié)議由于節(jié)點通信路由的隨機選擇方式而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)收集效率低的問題，本文提出了基于通信節(jié)點動態(tài)

4、選擇機制的數(shù)據(jù)收集協(xié)議NGCP。NGCP控制節(jié)點通信呈現(xiàn)以下的趨勢，前期近似隨機的選擇通信來保證網(wǎng)絡(luò)的魯棒性，接著動態(tài)的增加不同級數(shù)的節(jié)點的通信概率來提高邊緣數(shù)據(jù)的收集效率。為了最優(yōu)化的實現(xiàn)上述的趨勢，NGCP設(shè)計了感知級數(shù)表、新的通信節(jié)點概率函數(shù)模型并對該模型引入遺傳算法來進行優(yōu)化。遺傳算法的大量計算由計算機在數(shù)據(jù)收集前期完成而不是傳感器節(jié)點，有利于延長傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期。同時，遺傳算法的強大空間搜索能力為概率函數(shù)最優(yōu)參數(shù)的確定提供了

5、有效的方法。通過實驗的性能評估，NGCP在保證數(shù)據(jù)魯棒性的基礎(chǔ)上極大的提高了數(shù)據(jù)的收集效率。
　?。?）針對數(shù)據(jù)包隨機流動而減低GCP性能的問題，我們提出了本文基于分級數(shù)據(jù)包快速融合策略的數(shù)據(jù)收集協(xié)議DGCP。DGCP通過設(shè)計數(shù)據(jù)包分級策略賦予網(wǎng)絡(luò)中所有數(shù)據(jù)包輕量的路由信息，通過控制數(shù)據(jù)包交換的動態(tài)概率函數(shù)來控制不同級數(shù)的數(shù)據(jù)包流向，以此來提高邊緣數(shù)據(jù)的收集效率。實驗結(jié)果表明，在不同的環(huán)境下DGCP均擁有比GCP更好的性能。

6、>　?。?）通過對不同環(huán)境下NGCP與DGCP的性能進行對比分析，發(fā)現(xiàn)就對GCP性能提升的程度而言，NGCP更適合用于災(zāi)難環(huán)境下稀疏網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收集，而DGCP更適合用于災(zāi)難環(huán)境下密集網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收集。結(jié)合這兩種數(shù)據(jù)收集協(xié)議的優(yōu)勢，通過對通信節(jié)點的動態(tài)選擇機制和分級數(shù)據(jù)包快速融合策略進行一定的融合改進，提出了基于通信節(jié)點的動態(tài)選擇機制和分級數(shù)據(jù)包快速融合策略的數(shù)據(jù)收集協(xié)議MGCP。通過性能實驗評估，MGCP在不同類型的災(zāi)難環(huán)境下的性能均優(yōu)于