（计算机科学与技术专业论文）无线传感器网络可靠数据传输关键技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院博士学位论文 摘要 近年来，随着研究的深入和相关硬件技术的发展，无线传感器网络在实际应 用中得到越来越多的部署，并表现出更多的应用潜力。可靠数据传输是无线传感 器网络设计和实现中的一个关键问题，它决定了数据包如何经过多跳步路由成功 地传输到目的节点，对网络的性能有重要影响。然而，由于无线通信受环境、信 号干扰和能量耗尽等因素的影响，导致无线传感器网络的可靠性较差。 冗余数据传输是目前保证可靠数据传输的主要方法，如多路径或重传，其基 本思想都是用增加数据的传输量来换取可靠性的提高。由于可靠性要求高的应用 往往对传输的实时性也有较高要求，因此本文选择多路径作为提高数据传输可靠 性的主要手段。但是，多路径方法引入大量通信冗余，直接受到传感器网络能量 受限、规模大、动态性强等特点的制约，给多路径的研究和应用带来巨大挑战。 本文系统地研究了多路径的构建及其传输控制中的一些关键问题。这些问题 相互渗透、紧密关联，直接影响到多路径的有效性和能耗高效性。然而，已有研 究由于使用不精确的通信能耗模型，没有充分考虑到网络的大规模特点，导致多 路径构建能耗不高效，可扩展性较低；由于在编码方式、流量分配和带宽分配等 方面的不完善，导致多路径数据传输可靠性较低，无法充分发挥作用。本文针对 无线传感器网络的诸多特点和现有研究的不足，从以下几个方面展开研究。 在多路径构建方面，针对现有方法多路径能耗不高效、路径间相互干扰的缺 点，本文首先研究了可靠性约束的最小能耗多路径构建问题，并证明该问题为 n p l m d 问题。通过精确分析传感器节点的通信能耗模型，提出解决该问题的近似 方法。为减少路径间干扰，本文进一步利用现有r a d i o 的多频特性，在此基础上提 出了一种能耗优化和干扰避免的多路径构建算法e i m m f a 。该算法能根据可用频 段范围以及网络节点疏密程度有效构建和维护多条路径。模拟结果表明， e i m m f a 显著降低路径间的干扰，用较低的能耗达到数据传输的期望可靠性。 为提高多路径构建的可扩展性，本文挖掘地理位置相近数据的关联性，提出 一种可靠的网络分簇协议c r e e d 。在簇的建立上，通过8 0 2 1 1a i g 的多速率传 输技术计算合理的簇大小，平衡簇内节点的耗能。在簇首选举上，本文提出一种 动态簇首备份方案e d d s 。e d d s 在簇首失效时能够以较少的开销迅速选举新簇 首，保证了簇首的鲁棒性。在簇间，本文提出一种多路径路由协议，该协议根据 节点的剩余能量以及路径跳步数在多条路径间分配流量，均衡全网能耗。模拟结 果表明，c r e e d 在保证期望可靠性的基础上提高了路径构建的可扩展性，显著优 化了簇内、簇间的通信能耗，为多路径数据传输提供一种鲁棒的分簇拓扑支持。 为了有效利用多路径，更好地达到可靠性目标，需要进一步研究多路径的传 第i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 输控制问题。传统的方法对每份数据沿多条路径同时传输，容易造成对单份数据 的依赖。针对这个问题，本文提出一种基于网络编码的多路径传输方法。通过将 同组数据编码成相互独立的多份数据，并在传输过程中继续编码以降低相关性。 目标节点只需收到部分数据就可以恢复原始数据，有效提高传输的可靠性。该方 法中，传输每组数据所需的路径数是个关键的参数，它体现了使用网络编码后多 路径传输所需的通信量。本文基于棣莫佛拉普拉斯中心极限定理，提出一种开销 较低的近似方法计算该参数。分析模拟表明，网络编码在保证期望可靠性的同时 显著降低了多路径的通信量，适应传感器网络动态性强、规模大等特点。 在多路径数据传输中，如果路径流量分配不合理，会产生和加剧拥塞，导致 多路径无法发挥作用。针对这个问题，本文提出一套多路径传输的拥塞控制策略 c o t a + c o d e m ，在有效控制拥塞的同时保证报文传输的可靠性。c 0 1 i a 根据路径 节点的使用情况以及剩余能耗，预测潜在的拥塞区域，避免给热点区域分配过多 的流量，有效预防拥塞。c o d e m 基于精确的度量和规则检测拥塞，当拥塞不可避 免地发生时，能够及时有效地通知数据源，将拥塞区域的路径流量转移到其它负 载较轻的区域，有效缓解拥塞。模拟结果表明，c o t a + c o d e m 能有效控制拥塞， 显著提高可靠性、实时性和吞吐率。 在发生拥塞时，需要进一步考虑数据传输的公平性问题。针对现有公平性定 义不完善以及公平性控制策略不实用的问题，本文从传感器网络冗余部署的特点 出发，扩展了传统的公平性定义，提出基于信息量的公平性控制策略c f r c 。在信 息量计算上，本文根据节点的感知面积提出一种开销较低的计算方法，给出带宽 分配的依据。在带宽分配上，通过分析影响拥塞的干扰源，本文提出一种干扰源 感知的带宽分配算法，充分保证了公平性。模拟结果表明，c f r c 能根据各数据源 产生报文的信息量分配带宽，有效实现了符合传感器网络特点的公平性控制。 综上所述，本文针对可靠数据传输的多路径构建及其扩展性问题，多路径传 输的编码方式、拥塞和公平性控制等关键问题提出了有效的解决方案，对于推进 无线传感器网络可靠数据传输的研究和实用化具有一定的理论意义和应用价值。 主题词：无线传感器网络，可靠数据传输，多路径，路径构建，路径传输 第i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 a b s t r a c t i n r e c e n t ) 忙a 硌，w i lt h ei n - d e p t l l r e s e a r c ho f 糟l a t e dt c c l l i l o l o g i e s 锄dn l e 证l p r o v e m e n ti nl l a r d w a r e ，t h e r ea r em o r ea i l dm o r ed e p l o y e d 丽r e l e s ss e n s o r 玳帆o r k s i i lp r a c t i c ea i l ds h o wi t s 础e n t i a l a so 鹏i i p o n a l l tp r o b l e mi nw i l e l e s s 嬲o r 咖f k s ，r e l i a b l ed a t at r a n s m i s s i o nd e t e 册i n e sh o wd a _ t ap a c k e t sc a i lb ed e l i v e r e dt 0 s 址s u c c e s s f u l l yn 哟u g l lm u l t i - h o pr o l 咖g h o w e v e r ，恤r e l i a b i l 时o fd a t a t r a n s 血s s i o ni 1 1 、h l e s s 粥o r 咖r ki sb a dd u et 0 也e 鹏g a t h ee 疵c to fe n v i r 0 眦e 她 s i 舀l a l 证t e r f - e r e n c e 雒de 1 1 e r g ye 】( 1 l a l l s t i o no n 、时r e l e 鼹c o m m 疵c a t i o n r e d l d a n t 讹仃龇塔i i l i s s i o ni s l em a i nt e c h n i q u et og i m r 锄e er e l i a b l ed a t a 恤i i l i s s i o 玛s u c h 鹤m u l t i p a mo rr e 蛐m i s s i o n t l l em a i l li d e ao f 、) l ，! h i c hi st og a i n r e l ia _ b i l i t ) rb ya d d i i 培r e d u l l d 锄1 c yt od a t a 眦m i s s i o n s i i l c em o s ta p p l i c a ：t i o i 坞t l l a t 珈d l l i 曲r e l i a b i l 时a r ea l s od e l a ys e i l s i t i v e ，w eu s em u l 卸a m 硒a b 弱i st 0 1 1 i e v er e l i a b l e d a t a 咖l s m i s s i o ni nt 量l i s 也e s i s i n 们d u c i i l gm l l c h d l m d 锄t 仃龇塔血s s i o 玛m u n i p a mi s 址9 1 1 l yr e s t r i c t e db ym ei i l k 鹏n tc k 衄c t 耐s t i c so fw i r e l e s s n s o r 联；帆o r ks u c h 弱 e m r g y c r i t i c a l ，l a r g e - 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s c a l e c t l a l r a c t e r i s t i c 、e ui n 、i r e l e s ss e r l s o rn e l r k s i nm u l t i p a m 纰讹n s m i s s i o i l ，、v e 如r t i l e rs t l l d yt l l e c o n e s p o n d i n gc o r 培e s t i o n c o n _ t r o lp r o b l e m i i l l p r o p e rt r a m ca l l o c a t i o n 谢uc a u s e 锄dd e t e r i o r a t ec o n g e s t i o 玛 w h i c hr e s u l ti nl o s s i i l ge f f e c to fm u l t i p a t l l a i m i i l ga tm i sp r o b l e m ，、ep r o p o s ea m u l t i p a t l lb a s e dc o n g e s t i o nc o m r o l 触n 剀m r kc o n 针c o d e mt 0c o n t r o lc o n g e s t i o n e f f e c t i v e l yw k l ek e e p i n ga l ec o i l s t r a i mo fd e s 硫dr e l i a b i l 畸i i lo r d e rt 0a v o i d c o n g e s t i o n ，0 0 t ap r e d i c t 也ep o t e n t i a lc o i 培e s t e da r e aa c c o r d i i l gt om eu s e6 e q u e n c y 锄dr e s i d u me n e r g yo fp a _ t l ln o d e s ，b a s e do n 、) l ，：h i c hi ta l l o c a t e s 蚴ct 0m u l t i p l ep a t l l st 0 a v o i dt r a v e r s i n gt 1 1 ep o t e n t i a lc o n g e s t i o nr e g i o n o n c ec o n g e s t i o nh a p p e n si n e v i t a t ) l y ，a r u n t i m et r a f ! f i ca d j u s t m e n tc o d e mi su s e dt od e t e c tc o n g e s t i o na i l dd i v e nt r a 衔cf r o m 第i v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 m ec o n g e s t e da r c at oo t l l e rp a m s b 硒e do na c c u r a t cc o n g e s t i o nm e t r i ca n dm l e s ， c o d e mc 趾血t i g a t ec o n g e s t i o n 血1 1 e l yw 1 1 i l ea c l l i e v i i 培也ed e s h dr e l i a b i l 毋 s i i n u l a t i o nr e s u l t sv e r i 句坨d i s t i l l g u i s h e dp e r f o m 觚c eo fc o t a + c o d e mi n r e l i a b i l 时，d e l a y 距d 咖r kt l l r o u g h p 幢 i nc o n g e s t i o n ，w es t i l ln e e dt oc o n s i d e fm ef 越m e s sc o i i 臼沁lo nd i a ：t at r a i 坞m i s s i o n a i m i l l ga tn l ei i l c o m p l e t e 】s so fc u r 托n tf 砬m e s sd e f i i l i t i o n 趾d l 呻c t i c 扎豁o f c 眦e n t 彘咖e s sc o n t r o ls t r a t e 霉。w ee x t e n dt 1 1 e 仃a d “i o n a l 而l i i n e s sd e 丘n i t i o nb a s e do n t l l er e d u n d 觚t l yd 印l o y i n e n tc l l a r a c t i 丽s t i c0 fw h l e s ss e 璐0 r 咖d 【，觚dp r 0 p 0 a p 眦t i c a jf a i n l e s sc o n 仃o lm o d e lc f r c i nc f r c ，al o w c o s tc 托d i tc o n l p u t a t i o n a l g o d 岫i sp r o p o s e df o re a c hs o u r c en o d et 0c o m p u t ei _ t sc r e d i tl o c a l l yb a s e do nt h e s e r 塔e d 孤e ao fi t s e l f 觚di t sn e i 西i b o 俗c r e d i ti st t l eb a s i sf - 0 rb a n d w i d ma l l o c a t i o n f u n h e 曲o r e ，觚姻：e f f e r e ra w 蜀旺f 址r a t ea l l o c a t i o na l g o r i 如ni s 卿s e di nc f r ct 0 觚l va c h i e v e 蠡l i r n c s s s i m u l a t i o n 汕ss h o wt h a tc f r cc 趾a l l o c 如b 锄d 、) v i d t hb 弱e d o n 廿l ec r e d i to fd a c as o u r c e s 跹da c l l i e v ef 翻毗1 e s si i la c c o r d a n c e 、i 廿lt l l ed h a r a c 耐s t i c o f 、i r c l e s ss e n s o rn e 嘶r k i ns u m m a 巧，o u rw o r kp r e n t l u t i o n st 0 v e r a lk e yp r o b l 伽衄o ft h em u l t i p a m c o i 咖c t i o n 锄di t ss c a l a b i l 时，c o d i i l go fm l l l t i p a m 妣a 仃跚瑚【i l i s s i o 玛c o n g e s t i o n 觚d 内i n l e s sc o i l 仃o li i lr e l i a b l ei b ：t a 仃a n s m i s s i o 皿锄dh 硒a c a d e 血c 觚dp l 侧i c a lv a l u ef o r a d v 锄c i n gt l l et h e o 巧a 1 1 dp r a c t i c a b i l 时o fr c l i a b l ed a ：t at r a n s m i s s i o ni i l 丽r e l e s s 1 1 s o r n e r k k e yw o r d s ：w i r e i e s ss e n s o rn e m o 水，伧a b i ed a t at r a n s m i s s i o n ，m u m p a t h ，p a t h c o n s t r u 酬o n 。t 陷n s m i s s i o nc 0 n t r o i 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 表目录 表3 1 a t h e r o s2 0 0 4t r i m o dc l l i p s e t 的能耗参数【1 捌3 8 表4 18 0 2 1 l 的系列标准参数。5 3 表4 28 0 2 1 1 9 的数据传输速率5 3 表4 3 转发表表项6 3 表4 - 4 删消息6 3 表5 1随机数取值范围与系数向量线性无关的概率的对应关系7 9 表5 2 不同期望可靠性，下的新值8 2 表6 1p r e p 消息格式9 5 表6 2 后向压力消息格式9 9 表6 3 模拟配置1 0 2 第1 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图1 1 图2 1 图2 2 图2 3 图2 - 4 图3 1 图3 - 2 图3 3 图3 - 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 l 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图5 1 图目录 一个典型的无线传感器网络体系结构图【l 】l 多路径与多报文相结合的转发方式【6 3 】1 7 将路径重组成不相交多路径【7 0 1 1 9 非干扰多路径的构斟诩1 9 拥塞发生开辟新的路径即】2 6 传感器节点能量消耗嘲3 2 将r c m e m p 问题归约到背包问题的特例3 7 通信能耗随功率变化的关系【1 1 9 1 3 8 节点在( 西，矾) 范围内寻找下一跳节点4 1 有序频段分配4 2 基于多频区域划分的路径构建算法一4 4 路径维护算法4 5 不同信道失效率下的能耗4 6 不同期望可靠性下的能量消耗4 7 e i m m f a 获得的可靠性4 7 不同h o p 数的路径的平均路径影响因子4 8 e i m m f a 和m s p 获得的实际可靠性4 9 i 汪e d 协议中的k 个簇首层叠网5 2 8 0 2 1 1 9 单跳通信能耗( 单位：1 1 1 i c 肋) 随通信距离的变化关系【1 3 6 】5 4 网络簇划分5 5 e d d s 算法执行过程6 0 堆排序6 2 路径修补算法6 6 在不同的信道失效率时获得的可靠性6 7 不同的期望可靠性下实际获得的可靠性6 7 某次簇首选举后l e a c h 和c r e e d 的簇首分布6 8 对应图4 9 簇首分布下的簇内通信能耗6 9 l o 轮簇首选举下的簇内平均通信能耗6 9 1 0 轮簇首选举下的簇内通信能耗方差7 0 簇间路由能耗7 0 突发故障下l e a c h 和c r e e d 实际获得的可靠性7 l 采用网络编码获得最大流最小割流量7 3 第i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图5 2 通过网络编码提高系统容错性。7 3 图5 3 通过网络编码减少系统的延迟。7 4 1 图5 4 通过网络编码减少系统。7 4 图5 5 使用网络编码的报文格式。7 7 图5 6 源节点将组内数据编码成m 份新数据7 7 图5 7 中间节点再次编码。7 7 图5 7 基于网络编码的多路径传输模式7 8 图5 8 传统多路径传输时的数据分组。8 1 图5 9 近似方法在不同期望可靠性，不同信道失效率下的误差8 3 图5 1 0 簇内联合熵计算d b g e 算法8 5 图5 - 1 1不同期望可靠性下所需的路径数( e ：0 2 ，k = 6 ，h = 4 ) 8 6 图5 1 2 不同路径长度下所需的路径数( e = 0 2 ，f o 9 ，h = 4 ) 8 7 图5 1 3 不同信道失效率下所需的路径数( h = 4 ，k ，r = 0 9 ) 8 7 图5 1 4 不同h 下所需的路径数( 1 卸慨e = o 2 ，k ) 8 8 图5 1 5网络编码减少的能耗和系数向量耗费的能量随可靠性变化的关系 ( e = 0 2 ，k = 6 ，h = 4 ) 8 8 图5 1 6网络编码减少的能耗和系数向量耗费的能量随信道失效率变化的关系 = o 9 ，e = 0 2 ，k = 6 ) 8 9 图5 1 7网络编码减少的能耗和系数向量耗费的能量随路径长度变化的关系 ( r = o 9 ，e = o 2 ，k = 6 ) 8 9 图5 1 8d b g e 为每个簇节约的传输能耗9 0 图6 1c 0 1 a 流量分配算法9 6 图6 2c o d e m 流量重分配算法10 0 图6 3 拥塞流量转移示例1 01 图6 4 不同路径数目下的最大数据产生率1 0 2 图6 5c 0 1 a 与统一流量分配下随时间变化的可靠性对比图1 0 4 图6 6平均可靠性( 仅在c o t a 作用下) 10 4 图6 7随时间变化的可靠性( c o n 廿c o d e m ) 1 0 5 图6 8平均可靠性( c o n 针c o d e m ) 10 5 图6 9通信能耗( c o t a + c o d e m ) 10 6 图6 1o吞吐率( c o t a + c o d e m ) 10 6 图6 1 1延时( c o t a 屺o d e m ) 10 7 图7 1 公平性控制的示例1 0 9 图7 2 节点感知区域冗余导致节点的有效数据量不同1 11 第i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图7 3 图7 4 图7 为 图7 6 图7 7 图7 8 图7 9 图7 1 0 节点感知信息不冗余时信息量的计算。1 1 3 节点感知信息冗余时通过感知面积计算信息量11 4 感知面积的近似11 5 信息量计算算法1 1 6 干扰源感知的带宽分配算法11 8 不同控制模式下的报文传送率1 2 0 不同控制模式下丢弃的报文数1 2 1 c f r c 的收敛性1 2 2 第i i i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目： 丞堡笾壁墨圆终互童熬堡篮逾羞筵选盔堑究 一 学位论文作者签名： ：至垫垡幽日期：纠7 年? 月h 日 ， 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名： 作者指制雠：彦曲蝉 日期：籼7 年7 月知日 日期：川年c i 月护日 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第一章绪论 科技发展的脚步越来越快，传感器技术作为