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移动性受限物联网应用中基于图论的高效数据采集策略

更新时间：2019-12-10 18:10:27 大小：2M 上传用户：xiaohei1810 查看TA发布的资源 标签：物联网数据采集 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

资料介绍

针对物联网数据采集应用,研究移动性受到限制的汇聚节点对数据采集性能和能量有效性造成的影响,提出能量有效的数据采集策略.基于图论基本原理对系统进行分析,建立借助方格的网络分层描述方法.提出数据采集中的能量分层优化HOEE问题,采用基于启发式算法的匹配算法来匹配节点方格,制定能耗均衡的数据包上报策略.NS-3仿真实验结果表明,HOEE数据采集策略具有优越性,与最短路径树、最大数据量最小路径以及随机采集策略相比,网络寿命能够有效提高约30％,维持较高的数据采集性能.在具有移动性受限的汇聚节点的物联网应用中使用HOEE数据采集策略,能够提高网络寿命,保证数据采集性能.

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鲨鲨

坐!鲎!!量!璺查旦盎美里璺釜显‰ 堂

鳖翌塑

DoI：10．3785a．issn．1008-973x．2018．08．002

移动性受限物联网应用中基于图论的

高效数据采集策略

吴超m，刘元安1”，吴帆1’，范文浩1”，唐碧华1’2

(1．北京邮电大学电子工程学院，北京100876；2．安全生产智能监控北京市重点实验室，北京l00876)

摘要：针对物联网数据采集应用，研究移动性受到限制的汇聚节点对数据采集性能和能量有效性造成的影响，

提出能量有效的数据采集策略．基于图论基本原理对系统进行分析，建立借助方格的网络分层描述方法．提出数

据采集中的能量分层优化HOEE问题，采用基于启发式算法的匹配算法来匹配节点方格，制定能耗均衡的数据

包上报策略．Nso仿真实验结果表明，HOEE数据采集策略具有优越性，与最短路径树、最大数据量最小路径以

及随机采集策略相比，网络寿命能够有效提高约30％，维持较高的数据采集性能．在具有移动性受限的汇聚节点

的物联网应用中使用HOEE数据采集策略，能够提高网络寿命，保证数据采集性能．

关键词：图论；物联网；启发式算法；数据采集；能量有效性；移动节点

929

中图分类号：TP 212；1N

文献标志码：A

文章编号：l008—973X(2018)08—1444．08

Efncient data

schemein

internet of

gathering

mobiHty—constrained

thingsⅥ噎th

graphtheOry

wu_{Chao妲，L砌Yuan．anl一，wu}

Electronic

Bi-ho’2

Falll‘2，FAN wen-ha01。2，TANG

Qnd

Q．sch00l of

Engineering。Beijing Universily可Posts

Teiecommuniconons，Be棼ing、008，}6。Chin口；

2．Be母ing Key Lnboratory可Wor；c S口，ety intelligent Monitoring，Beijing、00816，Chin∞

Abstract：The

the

mobile sink

in internet

the

impact

mobility-constrained

andthe

deployed

things(IoT)on

data

_efficiencywas _{investigated，and}an

efficient data

enefgy

gathering perfbrmance

scheme was

energy

f-or the data collection and

IoT．The IoT

system

was

analyzed

gathering

the

proposed

application

hierarchical

and thene懈orkwasdesc椭edbased

graph也eory

equal· sized grids．The comprehensiVe

energy efnciency(HOEE)，was proposed；and

data

scheme，hierarchical

based onheuristic

gathering

optimization

was

and

dynamic adaptiVe

employed ^{to match}

nodes；and

matching algorithm

algorithm

data

was

to balance the

noeks．Ne铆ork

among_pipe

packet deliVery protoc01

proposed

results show

energy consumption

theHOEE

has

simulation

that

scheme

Simulator-3(NS一3)platfom’s

superiority

imporrtant

metrics and increases the networklifetime

30％when

compared ^{to the shortest}path tree(SPT)，

schemecan be

maximum amount _shortest_{path(MASP)，and}RANDOMscheme．The HOEE data

gathering

sink to increase thenetwork and

lifetime

in the

with

mobile

mobility—constrained

applied

IoT印plications

the data

improVe

gatheringperfbnnance．

node

words：graph

emciency；mobile

Key

theo巧；intemet

things；heuristic algorithm；date gathering；energy

收稿日期：2017一ll一20．

网址：www．zjujoumals．com／engmleup／HTML／20180800x．htm

基金项目：国家自然科学基金资助项目(61502050，61327806)；广东省“扬帆计划”引进创新创业团队项目；安全生产智能监控北京市重点实

验室．

作者简介：吴超(1986一)，男，博士生，主要从事无线传感器网络、物联网及嵌入式开发研究．orcid．org／OooO．oo叭· 7802．8490

E· mail：．edu．cn

通信联系人：刘元安，男，教授．orcidorg，oooo—ooOl一5898-4477．E—mail：．edu．cn

万方数据

吴超，等：移动性受限物联网应用中基于图论的高效数据采集策略阴．浙江大学学报：

工学版，2018，52(8)：1444一1451。

第8期

1445

物联网(intemetof也i119s，IoT)连接了现实事物

据包中继的网关节点，导致部分节点的负载过重

与互联网信息世界u1，无线传感器等节点设备为物

联网提供海量的数据信息，已经应用在军事口j、

并且快速死亡，降低了网络的可靠性和健壮性．

Sh蜘na等“副研究预定移动汇聚节点轨迹受到限制

的应用场景．基于分簇的方式，提出实时动态的数

据融合策略来定制簇内成员节点的数据上报过

程，在一定程度上降低了网络的能耗，但是没有对

整体网络拓扑特性进行考虑，无法对此类具有能

耗分层特性的网络进行优化．

环境监测p叫等领域中．最新研究表明，可移动的汇

聚节点(mobile sink)能够有效提升基于无线传感

sensor

器网络(wireless

networks，WSNs)的物联

网性能表现p曲j．但是，移动汇聚节点可能受到环境

影响，不具备完全移动性，被称为移动性受限的汇

聚节点，smeets掣¨ 研究基于固定铁轨的无线传感

器网络数据采集问题．Hu趾g等瞵母1研究基于汽车的

信息监控问题．在偏远山区、河流，以及智能电网

巡检等应用中，汇聚节点只能根据环境构造，沿着

固定的路径移动并汇集数据．在这类场景中，网络

拓扑受到移动汇聚节点的路径影响，具有明显的

分层结构．能够与移动汇聚节点单跳通信的节点为

静态汇聚节点(static sinl【)．在分层网络结构下，传

统的数据采集策略不能高效地汇集网络数据并保

证全网节点的能量有效性，因为集中的数据中继

导致静态汇聚节点消耗大量能量，造成能源快速

衰竭．

针对汇聚节点移动性受限场景的已有研究中，

网络的分层特性很少被纳入考虑．在具有分层网络

特性的物联网应用中，研究路径受限的可移动汇

聚节点对网络性能的影响．基于图论的基本概念与

思想，提出高效平衡的数据采集策略，能够在移动

汇聚节点路径受限的物联网应用场景中，均衡静

态汇聚节点的能耗水平，降低全网数据节点的整

体能量消耗，全面提升网络的能量有效性，同时保

证网络具有较高的数据采集性能．

1系统模型与分析

1．1系统描述

zhang等¨ ”J研究预定轨迹的数据采集策略，通

过分簇将网络中节点进行分组，通过启发式算法

求得近似最优的移动汇聚节点访问顺序，降低网

区域彳中随机部署n个静态的数据节点(data

node)Ⅳd，所有节点的初始能量为置廊．移动汇聚节

点＆的运动轨迹Pm为彳的轴对称线，在后续讨

论中只研究4单侧的情况．＆沿着Pm的两端以v。

作匀速往返运动。包括＆节点在内的所有节点的

最大通信距离为，，每个节点都具有足够的存储空

间来存放路由信息以及缓存数据．节点能够在部署

完成时获取并保存自己的位置信息u引．节点是静止

的，仅在部署完成时获取位置信息，能耗忽略不计．

络整体的能耗水平，并且满足数据采集延迟．在可

以规划汇聚节点移动轨迹的场景中具有启发意义．

徐新黎等¨ u在移动汇聚节点移动性受限的应用场

景中，为了提高网络寿命，使用无线充电的方式对

静态汇聚节点进行能量补给．采用的方法能有效提

高静态汇聚节点的工作时长，在一定程度上优化

数据采集的总量．随着网络工作时间的累积，大量

没有得到能量补给的数据节点正常死亡，不能稳

定地保证数据采集的性能．彭舰等u副考虑简单的运

动轨迹场景，认为移动汇聚节点按照圆形路径进

行运动，数据节点随机分布在周围，提出有效的数

据传输算法以及队列管理策略来提升网络的性

能，改善了在运动模型下的传输延迟特性，但是没

有考虑到实际应用场景以及网络层次结构所带来

的影响．Gao等u孓¨ 1提出最大数据量最短路径(maX

在民附近能与＆进行单跳通信的炳同时成

为静态汇聚节点最，最的总个数为n”．每个Ⅳd节点

bits／s生成数据，并且按照数据上报周期fint，通

以p

过多跳通信的方式将信息传输到某个可以到达的

最节点，当＆经过该最节点时，收集缓存的所有

数据信息．由于所有节点为随机部署，全体节点之

间具有不完备的连通性．Ⅳd节点与&节点之间的

匹配关系决定了数据包上报的路径以及参与数据

amolIntshonest

path，MAsP)策略．MASP直接使用

包中继的Ⅳd节点．对于Ⅳd节点而言，选择不同的

经典的最短路径树(shortestpathtree，SPT)协议进

行路由建立与数据包传递．凇sP在提升网络能量

有效性时没有考虑静态汇聚节点以及具有相同位

置特性的数据节点的能量均衡性问题，sPT中数据

传递仅仅将第1个收到路由发现包的节点作为数

S。节点作为数据包的目标节点，影响最节点的能

量消耗均衡性，不同的数据包中继跳数影响全网

消耗的总能量．对于整个网络的数据采集性能和能

量有效性而言，甄节点与墨节点的匹配选择的合

理性是至关重要的．系统模型如图1所示．

万方数据

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