延迟容忍无线传感器网络节点移动研究

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无线传感器网络作为物联网的底层,通过收集感知数据以及传递上层应用的控制信息,实现物理对象的互联互通。其中,无线传感器网络的数据收集和消息传递对于提升物联网的性能及其应用具有重要意义。传感器节点是由电池供电的,电池能量耗尽后节点死亡,网络中出现能量空洞。再加上通信环境复杂、无线链路时变性强等特点,导致网络间歇性连通,而具有间歇性连通的传感器网络称为延迟容忍传感器网络。近年的研究提出,在延迟容忍传感器网络中引入移动节点可以解决间歇性连通问题。本文关注具有移动节点的延迟容忍无线传感器网络,并重点研究对数据收集效率有核心影响的移动控制问题。本文建立了统一的数学模型描述移动节点控制问题,并按照从简单到复杂的研究思路,首先研究移动路径问题,接着将路径与速度结合研究运动规划问题,最后将通信因素也考虑进来,在统一的框架中解决保证通信可靠的移动控制问题。首先,针对移动控制的基础问题一路径问题,本文分析了最优路径所具有的凸壳特性,提出了基于凸壳的路径规划方法。实验表明,该方法充分利用了传感器节点的通信能力;与其他已有策略的相比,使用基于凸壳的方法得到的路径更加平滑,数据收集时间更短。其次,在路径问题的基础上结合速度控制,研究移动节点运动规划问题,提出了最小化网络延迟的Two-Phase方法。在该方法的第一阶段,使用基于凸壳的方法得到一条路径框架;在第二阶段,根据速度控制策略调整路径框架中点的位置,以使得延迟最小。大量模拟实验表明,该方法可以应用于多种网络环境;通过与其他策略比较,Two-Phase方法平均能够降低10%到20%的网络延迟。最后,进一步考虑通信因素,研究保证可靠通信的移动控制问题。该问题是综合了运动学、动力学和可靠通信约束的运动规划问题。本文计算并离散化移动节点的运动空间,提出了基于图搜索的算法;以通信质量为采样标准,提出了离散化与采样结合的算法。实验结果表明,基于图搜索的算法得到的路径,其运行时间更短;而使用离散化与采样结合的算法得到路径,其通信质量更优。
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