基于装箱分析的传感器网络性能研究

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1、≥活爻龟太浮SHANGHAJIAOTONGUNIVERSITY博士学位论文DoCToRALDISSERTATIoN论叉题目墨王茎煎坌堑鲍蝮壁墨旦缝。哇i!受奎学科专业作者姓名指导教师答辩日期通信与信息系统陈建新杨宇航教授2007年3月基于装箱分析的传感器网络性能研究摘要随着通信和微电子技术的发展，出现了一种新型网络一无线传感器网络(WSN)。这种网络在军事和民用市场上都有广泛的应用前景，如目标追踪、环境监控及医疗系统等。通常这种网络是由许多电池供电的传感器节点组成，多个传感器节点通过协同操作来实现用户需要的任务。在实际应用中受环境约束，传感器节点中电池不易于充电，

2、从而能量效率是WSN设计时主要考虑因素。由于传感器节点受限于能量约束，传统的无线网络技术如壤EE802．11和BlueTooth(蓝牙)不能直接应用于WSN，因而出现多种改进技术，如能量有效的MAC协议、能量有效的路由协议及数据聚合(DamAggregation)或数据融合(DataFusion)等。根据研究表明，数据通信是传感器节点主要能耗操作，本文致力于对WSN中BandwidthPackingProblem(BWP)的研究。主要研究数据格式长度设计和无损数据聚合算法，目的是提高数据通信效率，延长网络生命期。论文的第一章简单介绍了WSN网络。第二章介绍了WSN

3、中BWP分析的预备知识，第三章到第六章针对每个问题做了详细讨论。第三章分析了定长数据格式WSN性能，主要包括网络带宽利用率和能效性。在一些wSN应用环境中为了减少控制开销来节省能量，把数据包格式设为定长。然而当应用信息长度不固定时，需要添加填充字符(PaddingBits)来格式化为定长数据。这些填充字符引起带宽资源浪费，导致网络能效降低。另一方面如果应用信息比较短时(如温、湿度数据)，此时封装在用户信息前面的协议头开销将耗去大量的网络资源，这也会减低网络效率。基于此问题，本文提出一类物件大小受限的离散装箱问题(BPP)。通过对诧闯题NF算法的研究，得到协议头影响

4、下定长数据格式WSN中的平均性能。并在EYES节点仿真平台上，讨论了定长数据格式WSN中协议头长度对能效性的影响。根据本章的研究结果，在定长数据格式WSN设计时，由协议头长度、数据包长至少应大于3倍的协议头，以免出现低效率网络。由第三章结果发现，定长数据格式WSN虽然可以减少控制开销，但用户信息的可变性，使得每个数据包不能被用户信息填满，此时需加以上海交通大学博士学位论文填充字符，而收，发这些填充字符将会引起能量浪费。变长数据格式虽然能够充分利用带宽资源，但每个数据包头的长度指示单元也引起额外的能耗开销。这种开销，在短消息应用的WSN中更加明显。因而第四章提出一种

5、适应不同消息环境的MAC帧长机制一多帧结构(此处以四帧结构为例)，来折衷变长数据格式控制开销和定长数据格式填充开销。文中详细讨论了不同帧数目下最佳帧长的定义。并在WSN仿真平台中，基于能量有效的T-MAC(Timeout-MAC)协议上比较了三种帧结构(变长帧、定长帧和改进的帧)的能效性。在前面两章性能分析过程中，基于BPP中的NF算法来研究WSN网络的性能。N】弹法主要优势在于实现简单，计算复杂度为O(n)。但由参考文献可知，这种算法性能不是太理想。考虑到WSN环境能量约束，第五章在NF算法基础上提出NFTR、NFFR和NFBR三种重分配算法。在簇群(Clust

6、ering)结构中，分析了簇点内这三种算法的平均性能。根据得到的结果，发现重分配机制尤其适合于数据包长度较小的网络环境，如短信息占主导的无线传感器网络。进一步，与NFF(NextFitWithFragementation)算法作比较，发现在短消息应用的定长数据格式WSN中，本文提出的重分配算法在复杂度相同的情况下，平均性能要好于NFF算法。基于前面提出的重分配算法，第六章为WSN设计了一种前向比较算法(B2F)，用于簇群结构中簇头节点对收到的数据进行无损聚合。根据数据聚合技术，可以分为两类：有损和无损聚合。有损聚合虽然可以大幅度减少网络通信量，但这种机制会丢弃一部

7、分信息。当网络中出现数据传递失败时，因信息丢弃会导致这种聚合效率下降。而无损聚合可以避免这种弊端。本文基于级联无损聚合机制，提出B2F算法，在满足低计算复杂度的前提下，可以获得更好的汇聚效率。并在传感器网络仿真平台上进行能效性分析，发现在算法复杂度几乎不增加的前提下，B2F算法在能量节省方面要远好于FCFS算法。本文研究的BWP主要是面向能量受限的WSN，由于分析过程中主要是考虑MAC层以上的内容，因而研究的结论同样适用于其它类型的分组网络，如定长数据格式adhoc网络或有帧填充问题的工业控制网络等。关键词：无线传感器网络，数据聚合，带宽分配策略，装箱问题，NP．

8、完全问题，