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

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

第一頁(yè)，共二十八頁(yè)。摘要：本文介紹了一種集中式的數(shù)據(jù)采集和通訊的無(wú)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(diǎn)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(diǎn)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(wú)論傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生任何微小改變，傳感器網(wǎng)絡(luò)器節(jié)點(diǎn)都能形成一條自適應(yīng)的雙向鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。當(dāng)基站建于傳感器節(jié)點(diǎn)附近的時(shí)候，仿真結(jié)果表明，我們稱(chēng)之為螞蟻鏈(antchain)的進(jìn)化算法，在能量利用效率，數(shù)據(jù)完整性和存活時(shí)間方面遠(yuǎn)優(yōu)于其他協(xié)議。第二頁(yè)，共二十八頁(yè)。1緒論第三頁(yè)，共二十八頁(yè)。1、1緒論

隨著微電子技術(shù)(microelectronics),數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)(digitalsignalprocessing)和無(wú)線通訊技術(shù)(wirelesscommunication)的發(fā)展，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wirelesssensornetwork(WSN))被廣泛應(yīng)用于車(chē)輛跟蹤（vehicletracking），棲息地監(jiān)測(cè)（habitatmonitoring），森林監(jiān)測(cè)(forestsurveillance)，地震監(jiān)測(cè)(earthquakeobservation)，土壤條件監(jiān)測(cè)(soilconditionmonitoring)等方面。一個(gè)WSN通常包括許多傳感器節(jié)點(diǎn)，這些微小的節(jié)點(diǎn)通常由電池供電，可用于檢測(cè)信號(hào)，通訊、計(jì)算和提供能量。(AWSNusuallyconsistsofalargenumberofsensornodes.Thesetinysensornodes,oftenpoweredbybattery,havethecapabilitiesofsensing,communicating,computingandpowersupplying.)電池供電的傳感器節(jié)點(diǎn)，其消耗的能量主要用來(lái)完成三項(xiàng)任務(wù)：檢測(cè)信號(hào)，計(jì)算和通訊，其中通訊是最消耗能量的一項(xiàng)任務(wù)。(Battery-suppliedsensornodesneedtoconsumeenergyforthreemaintasks:Sensing,computationandcommunication,amongwhichcommunicationoftencostsasignificantportionofenergy)第四頁(yè)，共二十八頁(yè)。本文介紹了三種方法，一、Heinzelman提出的自適應(yīng)聚類(lèi)分層法“Low-EnergyAdaptiveClusteringHierarchy”(LEACH)，二、PEGASIS改進(jìn)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(guò)比較三種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，和仿真結(jié)果說(shuō)明哪一種方法更好—效率高，節(jié)能，路徑最短等。第五頁(yè)，共二十八頁(yè)。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(yè)，共二十八頁(yè)。

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(diǎn)都代表一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，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(wú)論網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生任何微小的變化，都可以自動(dòng)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(xún)鏈?zhǔn)怯脕?lái)從一些感興趣的/有針對(duì)性的傳感器節(jié)點(diǎn)上收集數(shù)據(jù)。在收到信息鏈和鏈型之后，傳感器節(jié)點(diǎn)獨(dú)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(yè)，共二十八頁(yè)。Fig.1.Sensornetworkarchitectureswhenitusesdifferentchainschemes第八頁(yè)，共二十八頁(yè)。名詞解釋?zhuān)篈ntColonyOptimization(ACO)蟻群優(yōu)化法travelingsalesmanproblem(TSP)旅行者問(wèn)題max-minantsystem(MMAS)極端螞蟻系統(tǒng)第九頁(yè)，共二十八頁(yè)。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(yè)，共二十八頁(yè)。

ACO最早應(yīng)用于解決旅行者問(wèn)題，對(duì)于WSN，每經(jīng)過(guò)一輪數(shù)據(jù)收集，傳感器節(jié)點(diǎn)的信息，無(wú)論直接或者間接，都要傳送到基站那里去，但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)很龐大的時(shí)候，所消耗的時(shí)間是很大的，所以這里把WSN簡(jiǎn)化成一個(gè)旅行者問(wèn)題，任何兩個(gè)節(jié)點(diǎn)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(fèi)用，根據(jù)無(wú)線電理論，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的之間的距離可以等價(jià)于通訊所需要的能量，能量越大，距離越大?；谝陨系募僭O(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(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都是根據(jù)基站發(fā)送的命令運(yùn)行的，每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(dòng)配置。第十一頁(yè)，共二十八頁(yè)。1.4單向antchain和雙向antchain單向antchain是一個(gè)簡(jiǎn)單的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，在數(shù)據(jù)采集過(guò)程，其中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都以同一個(gè)方向向其隔壁的節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)，如圖二所示。Fig.2.Datagatheringinuni-direction第十二頁(yè)，共二十八頁(yè)。雙方向antchain是一個(gè)自適應(yīng)的鏈結(jié)構(gòu)，傳感器節(jié)點(diǎn)可以雙向的向其隔壁節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)，如圖三所示。

Fig.3.Datagatheringinbi-directionAntChain第十三頁(yè)，共二十八頁(yè)。其中應(yīng)用雙向鏈的有利之處是，一個(gè)雙向antchain鏈，它能夠探測(cè)到死亡的傳感器節(jié)點(diǎn)。任何節(jié)點(diǎn)i都要接收隔壁兩個(gè)節(jié)點(diǎn)(i+1,i-1)傳輸過(guò)來(lái)的信息，當(dāng)某一時(shí)刻只接到一個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息時(shí)，就可以判斷是哪個(gè)一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡了，然后節(jié)點(diǎn)i向基站發(fā)送信號(hào)，說(shuō)明節(jié)點(diǎn)的死亡，基站再發(fā)送命令讓節(jié)點(diǎn)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(yè)，共二十八頁(yè)。1.5螞蟻鏈算法在WSN的應(yīng)用應(yīng)用螞蟻鏈算法的WSN進(jìn)行數(shù)據(jù)收集可以分為三個(gè)過(guò)程：一、預(yù)安裝階段：基站收集WSN內(nèi)所有傳感器節(jié)點(diǎn)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(hù)的查詢(xún)，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(dú)立的數(shù)據(jù)收集階段：在此期間，傳感器節(jié)點(diǎn)使用時(shí)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(yè)，共二十八頁(yè)。Fig.4.Thetime-lineofpre-setupphase:Thesensornodesoperateperiodicallisteningwhilewaitingforthebasestationtonotifythemforwakeuptime.第十六頁(yè)，共二十八頁(yè)。2仿真結(jié)果分析第十七頁(yè)，共二十八頁(yè)。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(duì)Bi-AntChain,Uni-AntChain,PEGASIS和LEACH幾種算法進(jìn)行了比較，如圖五所示。第十八頁(yè)，共二十八頁(yè)。Fig.5.Thenetworkstructuresproducedbydifferentalgorithms.第十九頁(yè)，共二十八頁(yè)。Bi-AntChain算法的優(yōu)勢(shì)是顯而易見(jiàn)的，首先：Bi-AntChain產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，路徑最短，根據(jù)無(wú)線電理論，路徑最短，表明能耗最低。其次：在antchain結(jié)構(gòu)中沒(méi)有傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)被設(shè)置在非常不利的位置，相鄰的連個(gè)節(jié)點(diǎn)非常遙遠(yuǎn)。此設(shè)置將會(huì)令一些位置不利的節(jié)點(diǎn)快速死亡，逐漸的就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)WSN的節(jié)點(diǎn)群體死亡。第二十頁(yè)，共二十八頁(yè)。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(gè)節(jié)點(diǎn)都有0.5J的能量，他們用這能量傳輸數(shù)據(jù)，當(dāng)死亡率達(dá)到一定階段(20%,50%,80%and100%)時(shí)，所傳輸出去多少數(shù)據(jù)。第二十一頁(yè)，共二十八頁(yè)。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(dāng)死亡率達(dá)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(yè)，共二十八頁(yè)。Fig.6.Dataamount(unit)/energy(J)/node第二十三頁(yè)，共二十八頁(yè)。Fig.7.Networklifetime(round)whendeadnodepercenta