【毕业学位论文】多场景无线传感器网络可靠数据输机制研究-无线传感器网络博士论文

学校代号 10532 学 号 分 类 号 密 级 普通 博士学位论文 多场景无线传感器网络可靠数据传输机制研究 学位申请人姓名 付 彬 培 养 单 位 信息科学与工程 学院 导师姓名及职称 李 仁发 教授 学 科 专 业 计算机应用技术 研 究 方 向 无线传感器网络 论 文 提 交 日 期 2013 年 10 月 30 日 学校代号： 10532 学 号 ： 级 ： 湖南大学博士学位论文 多场景无线传感器网络可靠数据传输机制研究 学位申请人姓名： 付 彬 导师姓名及职称： 李仁发 教授 培 养 单 位： 信息科学与工程学院 专 业 名 称： 计算机应用技术 论 文 提 交 日 期 ： 2013 年 10 月 30 日 论文答辩日 期： 2013 年 12 月 22 日 答辩委员会主席： 王志英 教授 U . E. (2000 M. S. (2005 A in of in I 2013 博士学位论文 要 无线传感器网络是一种融合 了 信息感知、信息处理和信息传输等功能为一体 的网络。 无线传感器网络 中的数据传输机制负责将传感器 节点采集到的数据传送到 汇聚 节点。由于 无线传感器网络通常由低功耗、功能结构简单的节点组成，节点之间采用无线多跳的方式进行通信，其数据传输质量易受网络流量 变化、无线链路干扰、节点移动 等网络状态不确定因素的影响。因此，数据传输机制的 设计与优 化是提升无线传感器网络整体性能的关键 ，它 决定了数据传输过程的有效性、 可靠性 和传输开销。 本文研究 不同场景 下的无线传感器网络可靠数据传输机制。 在事件驱动型 应用场景中， 由于 网 络流量具有突发性，需要及时感知网络拥塞状态变化、 创建拥塞避免的路径和 寻求合适的 可靠数据传输 的 方法；在面向网络链路间断连通的 容迟类应用场景中，节点移动使得难以维护端到端的传输路径，需要及时感知网络链路在时间和空间维度的变化、预测可靠的传输路径以及寻求建立可靠的数据传输方法。因此，这些问题的解决是 确保 可靠数据传输的关键。本文研究的总体目标是在保障可靠性的同时降低传输时延和传输开销，围绕静态和动态两种场景 的核心问题展开 深入 研究， 主要工作和 研究成果 如下 ： （ 1） 面向事件驱动型无线传感器网络 ， 通过 构建 数据传输成功率 模 型， 系统地比较了 逐跳重传、冗余多路径和网络编码多路径三种可 靠数据传输机制 的 可靠性 ；提出 了 一种以 邻居 节点拥塞度量化表示区域 拥塞程度的方法，能够较快的反应网络局部区域的拥塞状态，降低网络流量突发对数据传输的影响； 在此基础上 ，将拥塞感知的路由机制与网络编码的数据传输方法相结合，提出 了 一种基于网络编码的拥塞感知可靠路由协议 （ 。仿真 实验表明， 据区域拥塞度 避免 了拥塞 区域 ，并根据链路的可靠度 估计数据源 需 要 发送的编码包数量，提高了 事件驱动型 无线传感器网络数据传输的可靠性。 （ 2） 根据 容迟 移动传感器网络 消息状态转移的特点，提出了一种基于半马尔可夫过程的消息状 态转移模型。在该模型下，建立传输机制的性能分析框架。在节点间相遇间隔时间分布服从指数分布的条件下， 对四 种基本数据传输机制的消息转发时延及转移概率进行了理论推导 ， 并通过实验分析了不同 参数对消息转发时延和 转移 成功率 的 影响 。 (3) 面向人携带传感器节点的容迟移动传感器网络， 在分析 移动轨迹社团特征的基础上， 建立 异构社团结构网络模型。 在该模型下， 构建 社团间多副本数据转发策略的传输概率模型 ， 提出 了 一种基于社团结构的多副本数据传输 机制 （ 。多场景 无线传感器网络可靠数据传输机制研究 略动态计算社团间移动节点的平均相遇间隔时间，并根据传输概率模型 估算借助该社团分发副本可获得的成功传输概率。 仿真 实验表明， 略能以较低的传输延迟和传输开销获得较高的数据传输成功率。 (4) 在对人类移动轨迹的时空特征进行分析的基础上，提出 了一种面向容迟移动传感器网络的 移动感知模型和 节点 接触预测方法。在节点 相遇 历史记录时空信息不够充分的场 景下，根据区间数的不确定性理论对节点间接触的不确定性进行描述，并 提出 了 一种改进的基于可能度区间数比较方法。在此基础上，提出一种预测辅助的动态多副本数据传输 机制 （ 。 仿真实验 表明， 制 提高 了 数据成功转发率和降低 了 端到端分组传输延迟。 关键词 ： 无线传感器网络； 数据传输 ； 可靠性 ； 多路径传输 ； 网络编码 ； 区间数； 博士学位论文 as is to up of to is to of of of of of is of to of In In to of of of In it to to of in of to on of (1) of to in of To of A of on is of At a is of to is in 多场景 无线传感器网络可靠数据传输机制研究 V (2) To of on in to of a is of is of of of a of (3) on of a is of We a By a a (4) on of a In to of in of is a of is On a is a to 博士学位论文 录 摘 要 . . 录 . 图索引 . 表索引 . 1 章 绪 论 . 1 究背景 . 1 线传感器网络概述 . 1 线传感器网络研究现状 . 3 线传感器网络典型应用 . 6 线传感器网络的可靠数据传输 . 8 本问题描述 . 8 临的困难和挑战 . 9 究内容 . 10 文研究成果 . 11 文的组织 . 12 第 2 章 相关研究 . 14 态 无线传感器网络 可靠数据传输相关研究 . 14 据重传机制 . 14 路径可靠传输机制 . 16 于冗余编码的传输机制 . 20 迟移动传感器网络可靠数据传输相关研究 . 21 于冗余的数据传输策略 . 22 于效用的数据传输策略 . 22 于社会属性的数据传输策略 . 23 章小 结 . 25 第 3 章 事件驱动型无线传感器网络拥塞感知可靠数据传输机制 . 26 言 . 26 靠数据传输机制分析 . 28 认重传 . 28 路径冗余传输 . 28 多场景 无线传感器网络可靠数据传输机制研究 基于网络编码的多路径传输 . 29 靠度分析比较 . 29 种基于邻居拥塞度的区域拥塞检测方法 . 31 塞度量 . 31 塞检测 . 32 种基于网络编码的拥塞感知路由协议 . 32 点的编码与解码过程 . 32 塞避免的路由发现过程 . 33 塞感知的路由维护 . 34 节点发送编码包数的估计 . 35 议仿真 . 36 真环境设置 . 36 真结果与分析 . 36 章小结 . 39 第 4 章 容迟移动传感器网络消息状态转移模型 . 40 言 . 40 息转发建模 . 41 络模型 . 41 息转发的半马尔可夫模型 . 41 据传输策略性能理论分析 . 43 接传递 . 43 一次接触转发 . 44 是转发 . 45 用转发 . 45 据传输策略性能实验及分析 . 46 点间相遇率参数随机产生场景 . 46 点间具备社团关系场景 . 48 章小结 . 49 第 5 章 容迟移动传感器网络基于社团结构的数据传输机制 . 50 言 . 50 社团结构特性分析 . 51 团结构简介 . 51 用的移动数据集 . 51 验结果及分析 . 52 副本分发过程分析与建模 . 54 博士学位论文 异构社团网络模型 . 54 副本分发过程描述 . 55 副本分发过程成功传输概率分析 . 56 种副本分发方式比较 . 60 向社团结构的多副本数据传输策略 . 61 拟实验 . 62 数设置 . 63 种策略性能对比 . 63 本数对策略性能的影响 . 65 章小结 . 66 第 6 章 容迟移动传感器网络预测辅助的数据传输机制研究 . 68 言 . 68 关工作 . 69 点移动轨迹的时空特征分析 . 70 触概率预测模型 . 72 关定义 . 73 动感知计算 . 73 触概率预测 . 74 种预测辅助的动态多副本数据传输机制 . 75 率转 发策略 . 75 态复制策略 . 77 真实验 . 78 验参数 . 78 验结果 . 79 章小结 . 81 总结与展望 . 82 1工作总结 . 82 2研究展望 . 83 参考文献 . 85 致 谢 . 97 附录 A 攻读学位期间发表的论文和参加的科研工作 . 98 多场景 无线传感器网络可靠数据传输机制研究 图索引 图 线传感器网络体系结构示意图 . 2 图 节组织关系图 . 13 图 路选择 . 19 图 域拥塞示意图 . 27 图 同冗余度下成功接收率比较 . 30 图 余多路径与网络编码多路径成功接收率比较 . 30 图 均节点拥塞度和区域拥塞度对比 . 36 图 数据包成功 接收率 . 37 图 测源数据包成功接收率 . 37 图 功接收率 (s) . 38 图 功接 收率 (4s) . 38 图 端产生的编码包数量（ = . 38 图 端产生的编码包数量（ = . 38 图 息传