时延受限下WSAN移动路径规划和分布式数据分发

摘要

如何均衡网络的能量与数据传输时延，是移动无线传感执行器网络(Wireless Sensor and Actuator Network，WSAN)中数据收集亟待解决的关键问题。本文以移动执行器的路径规划和节点的数据分发为切入点，以满足网络时延约束和能量高效为目标，研究移动执行器在可控和不可控环境下的实时数据收集问题。
　　 本文针对移动执行器为可控对象的这类路径规划问题，提出一种入度优先的动态路径规划算法，在满足时延约束的条件下优化能量的利用。首先根据节点的能量和位置构建以能量消耗为权值的最短路径树，以网络的最大允许时延为约束条件，节点的入度为启发式搜索规则，确定网络内的汇合点;通过对最短路径树的周期性调整，动态地更新汇合点，使汇合点的能量消耗均衡到各节点;通过求解访问各汇合点的旅行商问题确定执行器的移动路径;并根据节点的能量损耗特性，将WSAN网络划分为负载均衡的子区域，实现多执行器的任务分配。为解决执行器为不可控移动对象时的数据分发传播通信开销较大问题，提出一种时延敏感的分布式多执行器数据分发策略。建立以节点的地理位置和传输半径为参数的虚拟网格，同一网格内选择离网格中心较近且剩余能量最大的节点为头节点;设计头节点的分发树管理规则，通过头节点的分发表和组员表管理移动执行器的加入和退出;联合节点的通信负载和物理位置，设计节点的转发判据，构建时延敏感的贪婪数据分发树，有效减少通信开销的同时，保证网络的实时性。利用OMNET++和MIXIM仿真平台对移动执行器数据采集中的汇合点分布、网络能量消耗、数据成功传输率等方面进行性能评估，验证本文提出的路径规划算法和数据分发策略的有效性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 MA可控下的移动路径规划

1．2．2 MA不可控下的实时数据分发

1．3 研究内容

1．4 本文的组织结构

第二章 能量高效的移动数据采集模型

2．1 增加网络移动性的能量有效利用机制

2．1．1 无线传感网能量黑洞问题

2．1．2 基于移动性的无线传感网能量有效利用

2．2 无线传感网中MA移动路径规划

2．2．1 MA移动策略的设计目标与难点

2．2．2 带约束的MA移动策略分析

2．3 移动性支持的实时数据分发

2．3．1 移动性支持的数据分发需求与难点

2．3．2 时延受限的移动MA数据分发

2．4 本文的总体设计思路

2．5 本章小结

第三章 入度优先的多执行器动态移动路径规划

3．1 MA路径规划关键问题分析

3．2 MA的移动策略问题描述

3．2．1 基于汇合点的移动网络模型

3．2．2 节点能量模型推导

3．2．3 移动数据采集的能量优化问题

3．3 入度优先的MA移动路径规划

3．3．1 能量敏感的动态汇集树更新

3．3．2 入度优先的汇合点选择算法

3．3．3 能量均衡的多执行器移动策略

3．4．仿真实验与结果分析

3．4．1 仿真环境与参数设置

3．4．2 仿真性能评价指标

3．4．3 仿真结果分析

3．5 本章小结

第四章 时延敏感的分布式多执行器数据分发

4．1 多移动MA的数据分发网络模型

4．1．1 模型假设条件

4．1．2 大规模网络的虚拟区域构建

4．2 基于虚拟区域位置信息的组管理

4．2．1 区域头节点选择和维护策略

4．2．2 移动MA的分布式组管理

4．3 时延敏感的分布式数据分发

4．3．1 DDDT分发树构建

4．3．2 DDDT的优化与维护

4．4 仿真实验与结果分析

4．4．1 仿真场景和参数设置

4．4．2 仿真性能评价指标

4．4．3 仿真结果分析

4．5 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

附录1 图索引

附录2 表索引

致谢

攻读学位期间主要的论文情况和科研情况