講稿集中式數(shù)據(jù)采集與通訊的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

集中式數(shù)據(jù)采集與通訊的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

第一頁，共二十八頁。摘要：本文介紹了一種集中式的數(shù)據(jù)采集和通訊的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。這種方法是觀察了自然界中螞蟻的覓食行為而產(chǎn)生的，在基站和傳感器節(jié)點中，我們根據(jù)其不同的功能和性能，明確的劃分各自任務(wù)。蟻群優(yōu)化方法是為了讓傳感器節(jié)點傳輸收集到的數(shù)據(jù)而在基站中形成的一條近優(yōu)鏈。無論傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)產(chǎn)生任何微小改變，傳感器網(wǎng)絡(luò)器節(jié)點都能形成一條自適應(yīng)的雙向鏈式結(jié)構(gòu)。當基站建于傳感器節(jié)點附近的時候，仿真結(jié)果表明，我們稱之為螞蟻鏈(antchain)的進化算法，在能量利用效率，數(shù)據(jù)完整性和存活時間方面遠優(yōu)于其他協(xié)議。第二頁，共二十八頁。1緒論第三頁，共二十八頁。1、1緒論

隨著微電子技術(shù)(microelectronics),數(shù)字信號處理技術(shù)(digitalsignalprocessing)和無線通訊技術(shù)(wirelesscommunication)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wirelesssensornetwork(WSN))被廣泛應(yīng)用于車輛跟蹤（vehicletracking），棲息地監(jiān)測（habitatmonitoring），森林監(jiān)測(forestsurveillance)，地震監(jiān)測(earthquakeobservation)，土壤條件監(jiān)測(soilconditionmonitoring)等方面。一個WSN通常包括許多傳感器節(jié)點，這些微小的節(jié)點通常由電池供電，可用于檢測信號，通訊、計算和提供能量。(AWSNusuallyconsistsofalargenumberofsensornodes.Thesetinysensornodes,oftenpoweredbybattery,havethecapabilitiesofsensing,communicating,computingandpowersupplying.)電池供電的傳感器節(jié)點，其消耗的能量主要用來完成三項任務(wù)：檢測信號，計算和通訊，其中通訊是最消耗能量的一項任務(wù)。(Battery-suppliedsensornodesneedtoconsumeenergyforthreemaintasks:Sensing,computationandcommunication,amongwhichcommunicationoftencostsasignificantportionofenergy)第四頁，共二十八頁。本文介紹了三種方法，一、Heinzelman提出的自適應(yīng)聚類分層法“Low-EnergyAdaptiveClusteringHierarchy”(LEACH)，二、PEGASIS改進LEACH方法后提出的PEGASIS方法，三、也就是本文提出的螞蟻鏈算法(AntChainalgorithm),通過比較三種方法的優(yōu)缺點，和仿真結(jié)果說明哪一種方法更好—效率高，節(jié)能，路徑最短等。第五頁，共二十八頁。1.2螞蟻鏈算法(AntChainalgorithm)IntheAntChainalgorithm,thebasestationusesanefficientoptimizationmethod,theantcolonyoptimization,toformachain;thechaininformationisthenbroadcastedtosensornodesastheirroutinginformation.ThreedifferentchainschemesareprovidedfordatagatheringinorderfortheWSNtodealwithdifferentsituations.Inparticular,thebi-directionAntChainisself-adaptivetoanyminortopologicalchanges;thesimpleuni-directionAntChainisusedforlimitedroundsofdata-gathering;thequerychainisusedtogatherdatafromanumberofinterested/targetedsensornodes.Afterreceivingthechaininformationandthechaintype,sensornodesworkindependentlyfortheirdata-gatheringtask.ThesimulationresultsshowthattheAntChainschemeperformsmuchbetterthanPEGASISandLEACHintermsofenergyefficiency,lifetime,datequalityandreliability.第六頁，共二十八頁。

利用antchain算法，基站使用一種有效率的優(yōu)化方法--蟻群優(yōu)化法，形成一條信息鏈;鏈上的每一點都代表一個傳感器節(jié)點，可以把他們向外廣播的信息作為其路由信息。根據(jù)WSN的變化，有三條鏈分別處理不同情況下的數(shù)據(jù)收集。一、雙向鏈，無論網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生任何微小的變化，都可以自動調(diào)整適應(yīng)；二、單向鏈，用于處理有限圈數(shù)的數(shù)據(jù)收集；三、查詢鏈是用來從一些感興趣的/有針對性的傳感器節(jié)點上收集數(shù)據(jù)。在收到信息鏈和鏈型之后，傳感器節(jié)點獨立完成他們的數(shù)據(jù)收集任務(wù)工作，三條鏈的應(yīng)用方式如圖一所示。第七頁，共二十八頁。Fig.1.Sensornetworkarchitectureswhenitusesdifferentchainschemes第八頁，共二十八頁。名詞解釋：AntColonyOptimization(ACO)蟻群優(yōu)化法travelingsalesmanproblem(TSP)旅行者問題max-minantsystem(MMAS)極端螞蟻系統(tǒng)第九頁，共二十八頁。1.3

蟻群優(yōu)化法AntColonyOptimization(ACO)ForaWSN,afteroneroundofdata-gathering,relatedsensornodesneedtosendthecollecteddatatothebasestation,eitherdirectlyorindirectly.Itisoftentootime-consumingtosolvethisleastenergycostproblemespeciallywhenconsideringalargenumberofsensornodes.WesimplifythisproblemintoatypicalTSPproblem,inwhichthecostbetweenanytwosensornodes(cities)istheenergyneededforwirelessradiotransmission(theamountofenergyneededforreceivingisonlyrelatedtohardwareandpackagesize,whichareassumedtobeconstant).Accordingtotheradiopropagationtheory,theenergyneededcanberoughlymodeledasapowerlawfunctionofthedistancebetweenthetransmitterandreceiver.第十頁，共二十八頁。

ACO最早應(yīng)用于解決旅行者問題，對于WSN，每經(jīng)過一輪數(shù)據(jù)收集，傳感器節(jié)點的信息，無論直接或者間接，都要傳送到基站那里去，但當網(wǎng)絡(luò)很龐大的時候，所消耗的時間是很大的，所以這里把WSN簡化成一個旅行者問題，任何兩個節(jié)點之間通訊所消耗的能量看成是旅行者在城市之間旅行的費用，根據(jù)無線電理論，發(fā)射機和接收機的之間的距離可以等價于通訊所需要的能量，能量越大，距離越大。基于以上的假設(shè)，這里提出了一種算法--螞蟻鏈算法，基站在這里起著至關(guān)重要的作用，每個傳感器節(jié)點都是根據(jù)基站發(fā)送的命令運行的，每個節(jié)點都可自行的比較選擇一條適合的數(shù)據(jù)收集鏈，然后自動配置。第十一頁，共二十八頁。1.4單向antchain和雙向antchain單向antchain是一個簡單的鏈式結(jié)構(gòu)，在數(shù)據(jù)采集過程，其中的每一個節(jié)點都以同一個方向向其隔壁的節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)，如圖二所示。Fig.2.Datagatheringinuni-direction第十二頁，共二十八頁。雙方向antchain是一個自適應(yīng)的鏈結(jié)構(gòu)，傳感器節(jié)點可以雙向的向其隔壁節(jié)點傳送數(shù)據(jù)，如圖三所示。

Fig.3.Datagatheringinbi-directionAntChain第十三頁，共二十八頁。其中應(yīng)用雙向鏈的有利之處是，一個雙向antchain鏈，它能夠探測到死亡的傳感器節(jié)點。任何節(jié)點i都要接收隔壁兩個節(jié)點(i+1,i-1)傳輸過來的信息，當某一時刻只接到一個節(jié)點的信息時，就可以判斷是哪個一個節(jié)點死亡了，然后節(jié)點i向基站發(fā)送信號，說明節(jié)點的死亡，基站再發(fā)送命令讓節(jié)點i重新自我配置。Theadvantageofemployingabi-directionAntChainschemeforregulardatacollectionisthatitisabletodetectthedeathofsensornodes.Whennodeidies,itsbothneighborswilldetectitbecausenomessageisreceivedfromnodei.Afterreceivingdatafromtheironlyremainingneighbor,eachofthem(nodesi–1andi+1)willactivateitselfasachainhead(ortail)andsenddatadirectlytothebasestation.Bythismeans,therearenolargeramountdatalossesduetothedeadnode.Thebasestationwillknowthedeathofthisparticularnodewhenthemessagefromitsneighborsisreceivedanditisabletomakedecisionsofre-configuration.第十四頁，共二十八頁。1.5螞蟻鏈算法在WSN的應(yīng)用應(yīng)用螞蟻鏈算法的WSN進行數(shù)據(jù)收集可以分為三個過程：一、預(yù)安裝階段：基站收集WSN內(nèi)所有傳感器節(jié)點的信息，然后發(fā)廣播命令喚醒他們，如圖四所示。二、鏈安裝階段：根據(jù)應(yīng)用程序或終端用戶的查詢，基站使用極端螞蟻系統(tǒng)(MMAS)優(yōu)化方案,形成一條主鏈或者多條區(qū)域性的鏈。三、獨立的數(shù)據(jù)收集階段：在此期間，傳感器節(jié)點使用時段和路由信息接收，匯總和發(fā)送收集到的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)最終發(fā)送到基站去。第十五頁，共二十八頁。Fig.4.Thetime-lineofpre-setupphase:Thesensornodesoperateperiodicallisteningwhilewaitingforthebasestationtonotifythemforwakeuptime.第十六頁，共二十八頁。2仿真結(jié)果分析第十七頁，共二十八頁。2.1網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較本文從網(wǎng)絡(luò)的形狀、輸出結(jié)構(gòu)以及成本對Bi-AntChain,Uni-AntChain,PEGASIS和LEACH幾種算法進行了比較，如圖五所示。第十八頁，共二十八頁。Fig.5.Thenetworkstructuresproducedbydifferentalgorithms.第十九頁，共二十八頁。Bi-AntChain算法的優(yōu)勢是顯而易見的，首先：Bi-AntChain產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，路徑最短，根據(jù)無線電理論，路徑最短，表明能耗最低。其次：在antchain結(jié)構(gòu)中沒有傳感器節(jié)點被設(shè)定在明顯不利的位置。但是利用其他算法一些節(jié)點被設(shè)置在非常不利的位置，相鄰的連個節(jié)點非常遙遠。此設(shè)置將會令一些位置不利的節(jié)點快速死亡，逐漸的就會導致整個WSN的節(jié)點群體死亡。第二十頁，共二十八頁。2.2數(shù)據(jù)量和能量利用率的比較

最客觀的比較方法是看那種方法可以用最低的能耗傳輸最大的數(shù)據(jù)量，表一的數(shù)據(jù)，是基于以下假設(shè)所做出的，每個節(jié)點都有0.5J的能量，他們用這能量傳輸數(shù)據(jù)，當死亡率達到一定階段(20%,50%,80%and100%)時，所傳輸出去多少數(shù)據(jù)。第二十一頁，共二十八頁。Table1.Dataamountwhenfirstnode,20%,50%,80%and100%nodesdie.Thebasestationisat(0,0),(50,50)and(0,?87),nodesarein100×100area.Initialenergyforeachnodeis0.5J.從表中可以看出當死亡率達到一定階段是，Bi-AntCHAIN方法是發(fā)送數(shù)據(jù)最多的。第二十二頁，共二十八頁。Fig.6.Dataamount(unit)/energy(J)/node第二十三頁，共二十八頁。Fig.7.Networklifetime(round)whendeadnodepercenta