8367010_石优,吴岩,林琳_无线传感器网络中高可靠数据传输技术的研究.pdf

摘 要 如今，随着互联网通信技术的飞速发展，物联网技术已然成为新一代信息技术的重 要组成部分。无线传感器网络（Wireless Sensor Network ，WSN ）作为物联网底层网络 的重要技术，已然成为当今的研究热点领域。随着无线传感器网络的应用越来越广泛， 各应用场景对无线传感器网络的数据可靠传输要求逐渐提高。无线传感器网络容易受到 应用现场环境、有限的网络节点性能、传输路径较多以及节点不规律移动等多种不利因 素的影响，产生数据传输时容易出现错误、冗余、高能耗等问题，无法保障数据的可靠 传输，导致网络系统产生数据爆炸和传输错乱，使得物联网底层的数据采集工作无法完 成。因此，如何提高无线传感器网络的数据传输可靠性成为如今的热点问题。 无线传感器网络在数据传输过程中容易受到场景环境等因素的影响，通过总结无线 传感器网络数据传输可靠性的现有研究可知，在多种复杂因素中，对数据传输可靠性的 影响最大的是传输链路的网络能耗问题和节点消息队列的网络拥塞问题。过高的网络能 耗会过度占用有限的网络资源，导致数据传输负载过高，产生紊乱错误；网络拥塞会直 接堵塞传感器节点的存储空间，导致消息滞留，产生数据爆炸。因此，保障无线传感器 网络数据传输可靠性的关键，是降低整体传输链路能耗以及解决节点消息队列中的网络 拥塞。通过分析相关研究领域的现有研究方法，针对影响无线传感器网络可靠数据传输 的两个关键因素，本文提出了相应的研究目标和解决方法，从而提高网络的数据传输可 靠性。 本文的主要工作和贡献如下： （1）针对无线传感器网络中网络拓扑动态变化，网络能耗过高等问题，本文提出 了一种能够将动态网络静态化的低能耗数据转发路由。无线传感器网络中，节点不断的 随机移动，导致网络拓扑无法使用传统的静态计算方法，同时，动态的网络拓扑会带来 很高的网络开销。针对此问题，本文提出了一种能够将动态网络静态化的低能耗数据转 发路由方案。首先，利用基于辅助的数据传输方法，在无线传感器网络中引入传感器节 点位置信息和移动 sink 节点作为通信模型的辅助，然后利用时间扩展图建立基本通信模 型，最后将最小代价流算法跟时间扩展图通信模型相结合，通过可行流的计算，在时间 轴上寻找网络开销最小的数据传输路径。 （2 ）针对无线传感器网络中数据采集和传输具有不规律性，容易发生网络拥塞等 I 问题，本文提出了一种高效的网络拥塞控制机制。由于无线传感器网络的网络节点具有 不规律的移动性，网络拓扑动态变化，而网络节点的自适应能力有限，无法做到以较高 的精度将网络节点的瞬时队列长度控制在安全范围内。针对上述精度不高问题，本文结 合网络拥塞的特征和模糊 PID 控制器和元启发算法的特点，设计了一种基于布谷鸟搜索 算法的模糊 PID 网络拥塞控制机制。利用PID 控制器快速收敛能力对无线传感器网络中 的拥塞现象进行有效的调整控制，并通过模糊控制算法对PID 控制器进行参数整定，通 过优化其自适应能力来提高其计算精度；再根据模糊 PID 控制计算出的实时丢包率，利 用布谷鸟搜索算法（CS ）对其进行在线优化，进一步提升精度，得到精度最优的丢弃概 率。 关键词：无线传感器网络，网络开销，拥塞控制，可靠性 II ABSTRACT Now, with the rapid development of Internet communication technology, Internet of things technology has become an important part of the new generation of information technology. Wireless Sensor Network (WSN) ,as an important technology of the Internet of things (IoT) , has become a hot research field. With the wide application of WSN, the requirement for