PPT讲稿-集中式数据采集与通讯的无线传感器网络

摘要：本文介绍了一种集中式的数据采集和通讯的无线传感器网络。这种方法是观察了自然界中蚂蚁的觅食行为而产生的，在基站和传感器节点中，我们根据其不同的功能和性能，明确的划分各自任务。蚁群优化方法是为了让传感器节点传输收集到的数据而在基站中形成的一条近优链。无论传感器网络拓扑结构产生任何微小改变，传感器网络器节点都能形成一条自适应的双向链式结构。当基站建于传感器节点附近的时候，仿真结果表明，我们称之为蚂蚁链(antchain)的进化算法，在能量利用效率，数据完整性和存活时间方面远优于其他协议。随着微电子技术(microelectronics),数字信号处理技术(digitalsignalprocessing)和无线通讯技术(wirelesscommunication)的发展，无线传感器网络(wirelesssensornetwork(WSN))被广泛应用于车辆跟踪（vehicletracking），栖息地监测（habitatmonitoring），森林监测(forestsurveillance)，地震监测(earthquakeobservation)，土壤条件监测(soilconditionmonitoring)等方面。一个WSN通常包括许多传感器节点，这些微小的节点通常由电池供电，可用于检测信号，通讯、计算和提供能量。(AWSNusuallyconsistsofalargenumberofsensornodes.Thesetinysensornodes,oftenpoweredbybattery,havethecapabilitiesofsensing,communicating,computingandpowersupplying.)电池供电的传感器节点，其消耗的能量主要用来完成三项任务：检测信号，计算和通讯，其中通讯是最消耗能量的一项任务。(Battery-suppliedsensornodesneedtoconsumeenergyforthreemaintasks:Sensing,computationandcommunication,amongwhichcommunicationoftencostsasignificantportionofenergy)本文介绍了三种方法，一、Heinzelman提出的自适应聚类分层法“Low-EnergyAdaptiveClusteringHierarchy”(LEACH)，二、PEGASIS改进LEACH方法后提出的PEGASIS方法，三、也就是本文提出的蚂蚁链算法(AntChainalgorithm),通过比较三种方法的优缺点，和仿真结果说明哪一种方法更好—效率高，节能，路径最短等。1.2蚂蚁链算法(AntChainalgorithm)IntheAntChainalgorithm,thebasestationusesanefficientoptimizationmethod,theantcolonyoptimization,toformachain;thechaininformationisthenbroadcastedtosensornodesastheirroutinginformation.ThreedifferentchainschemesareprovidedfordatagatheringinorderfortheWSNtodealwithdifferentsituations.Inparticular,thebi-directionAntChainisself-adaptivetoanyminortopologicalchanges;thesimpleuni-directionAntChainisusedforlimitedroundsofdata-gathering;thequerychainisusedtogatherdatafromanumberofinterested/targetedsensornodes.Afterreceivingthechaininformationandthechaintype,sensornodesworkindependentlyfortheirdata-gatheringtask.ThesimulationresultsshowthattheAntChainschemeperformsmuchbetterthanPEGASISandLEACHintermsofenergyefficiency,lifetime,datequalityandreliability.利用antchain算法，基站使用一种有效率的优化方法--蚁群优化法，形成一条信息链;链上的每一点都代表一个传感器节点，可以把他们向外广播的信息作为其路由信息。根据WSN的变化，有三条链分别处理不同情况下的数据收集。一、双向链，无论网络拓扑结构发生任何微小的变化，都可以自动调整适应；二、单向链，用于处理有限圈数的数据收集；三、查询链是用来从一些感兴趣的/有针对性的传感器节点上收集数据。在收到信息链和链型之后，传感器节点独立完成他们的数据收集任务工作，三条链的应用方式如图一所示。Fig.1.SensornetworkarchitectureswhenitusesdifferentchainschemesAntColonyOptimization(ACO)蚁群优化法travelingsalesmanproblem(TSP)旅行者问题max-minantsystem(MMAS)极端蚂蚁系统ForaWSN,afteroneroundofdata-gathering,relatedsensornodesneedtosendthecollecteddatatothebasestation,eitherdirectlyorindirectly.Itisoftentootime-consumingtosolvethisleastenergycostproblemespeciallywhenconsideringalargenumberofsensornodes.WesimplifythisproblemintoatypicalTSPproblem,inwhichthecostbetweenanytwosensornodes(cities)istheenergyneededforwirelessradiotransmission(theamountofenergyneededforreceivingisonlyrelatedtohardwareandpackagesize,whichareassumedtobeconstant).Accordingtotheradiopropagationtheory,theenergyneededcanberoughlymodeledasapowerlawfunctionofthedistancebetweenthetransmitterandreceiver.ACO最早应用于解决旅行者问题，对于WSN，每经过一轮数据收集，传感器节点的信息，无论直接或者间接，都要传送到基站那里去，但当网络很庞大的时候，所消耗的时间是很大的，所以这里把WSN简化成一个旅行者问题，任何两个节点之间通讯所消耗的能量看成是旅行者在城市之间旅行的费用，根据无线电理论，发射机和接收机的之间的距离可以等价于通讯所需要的能量，能量越大，距离越大。基于以上的假设，这里提出了一种算法--蚂蚁链算法，基站在这里起着至关重要的作用，每个传感器节点都是根据基站发送的命令运行的，每个节点都可自行的比较选择一条适合的数据收集链，然后自动配置。1.4单向antchain和双向antchain单向antchain是一个简单的链式结构，在数据采集过程，其中的每一个节点都以同一个方向向其隔壁的节点传输数据，如图二所示。Fig.2.Datagatheringinuni-direction双方向antchain是一个自适应的链结构，传感器节点可以双向的向其隔壁节点传送数据，如图三所示。Fig.3.Datagatheringinbi-directionAntChain其中应用双向链的有利之处是，一个双向antchain链，它能够探测到死亡的传感器节点。任何节点i都要接收隔壁两个节点(i+1,i-1)传输过来的信息，当某一时刻只接到一个节点的信息时，就可以判断是哪个一个节点死亡了，然后节点i向基站发送信号，说明节点的死亡，基站再发送命令让节点i重新自我配置。Theadvantageofemployingabi-directionAntChainschemeforregulardatacollectionisthatitisabletodetectthedeathofsensornodes.Whennodeidies,itsbothneighborswilldetectitbecausenomessageisreceivedfromnodei.Afterreceivingdatafromtheironlyremainingneighbor,eachofthem(nodesi–1andi+1)willactivateitselfasachainhead(ortail)andsenddatadirectlytothebasestation.Bythismeans,therearenolargeramountdatalossesduetothedeadnode.Thebasestationwillknowthedeathofthisparticularnodewhenthemessagefromitsneighborsisreceivedanditisabletomakedecisionsofre-configuration.1.5蚂蚁链算法在WSN的应用应用蚂蚁链算法的WSN进行数据收集可以分为三个过程：一、预安装阶段：基站收集WSN内所有传感器节点的信息，然后发广播命令唤醒他们，如图四所示。二、链安装阶段：根据应用程序或终端用户的查询，基站使用极端蚂蚁系统(MMAS)优化方案,形成一条主链或者多条区域性的链。三、独立的数据收集阶段：在此期间，传感器节点使用时段和路由信息接收，汇总和发送收集到的数据，这些数据最终发送到基站去。Fig.4.Thetime-lineofpre-setupphase:Thesensornodesoperateperiodicallisteningwhilewaitingforthebasestationtonotifythemforwakeuptime.2.1网络结构比较本文从网络的形状、输出结构以及成本对Bi-AntChain,Uni-AntChain,PEGASIS和LEACH几种算法进行了比较，如图五所示。Fig.5.Thenetworkstructuresproducedbydifferentalgorithms.Bi-AntChain算法的优势是显而易见的，首先：Bi-AntChain产生的网络结构简单，路径最短，根据无线电理论，路径最短，表明能耗最低。其次：在antchain结构中没有传感器节点被设定在明显不利的位置。但是利用其他算法一些节点被设置在非常不利的位置，相邻的连个节点非常遥远。此设置将会令一些位置不利的节点快速死亡，逐渐的就会导致整个WSN的节点群体死亡。2.2数据量和能量利用率的比较最客观的比较方法是看那种方法可以用最低的能耗传输最大的数据量，表一的数据，是基于以下假设所做出的，每个节点都有0.5J的能量，他们用这能量传输数据，当死亡率达到一定阶段(20%,50%,80%and100%)时，所传输出去多少数据。Table1.Dataamountwhenfirstnode,20%,50%,80%and100%nodesdie.Thebasestationisat(0,0),(50,50)and(0,−87),nodesarein100×100area.I