基于网络编码的无线传感器网络能量效率技术研究

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1、万方数据博士学位论文基于网络编码的无线传感器网络能量效率技术研究作者·n王磊指导教师：杨余旺教授南京理工大学2014年5月万方数据Ph．D．DissertationResearchonNetwork-Coding--BasedEnergy——EfficientTechnologyinWirelessSensorNetworksWangLeiSupervisionbyP晦YangYuwangNanjingUniversityofScience&TechnologyMay,2014万方数据声明本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽

2、我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文中作了明确的说明。研究生签名：兰磊z彬年夕月乒日学位论文使用授权声明南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。研究生签名：矽∥年夕月加万方数据博士论文无线传感器网络中基

3、于网络编码的能量效率技术研究摘要近年来，技术的进步和制造成本的降低使得无线传感器网络(WSN，WirelessSensorNetwork)得到了突飞猛进的发展。由于传感器节点的易部署性和多功能性，WSN被广泛应用到各种领域，如医疗卫生、目标跟踪、环境监控等。传感器节点的主要任务是收集、保存数据，并将数据传输给汇聚节点做进一步的操作。传感器节点能量的有限性和无线链路的不可靠性给设计高效的通信、存储机制带来了巨大的挑战。路由技术是无线传感器网络中的一种重要的基础支撑技术，路由协议的好坏关系到组网的质量。由于无线传感器网络在网络特点、业务特

4、点和应用需求等方面与传统网络存在显著差别，无线传感器网络路由的设计面临一系列新的挑战。尤其是近年来新技术的出现为传统路由技术的发展带来了新的活力。本文研究无线传感器网络中能量高效的数据传输机制、数据存储与修复技术以及能量高效的组播技术。(1)本文研究了无线传感器网络中基于网络编码的多径路由的能量效率。采用的多径网络模型是缠绕多路径模型，所用的网络编码方案为随机线性网络编码。研究了基于网络编码的缠绕多路径中成功交付率和能量消耗的分析模型。(2)分析了网络中不同参数对网络性能的影响，如跳数，数据包长度，子包大小，簇大小等，并通过对这些参数

5、的分析，导出一种优化的传输方案，该方案使得网络能够以更少的资源开销完成网络传输。此外，通过大量的离散事件仿真发现，实验结果与分析结果是一致的，并测试了在特殊环境下(如网络拥塞，节点失效等)的网络性能。(3)本文提出了一种无线传感器网络中能量高效的数据存储和修复方案。通过构造具有稀疏特性的网络码字来实现能量高效的分布式存储。此外，利用网络编码在中间节点进行编码的思想，设计了一种迭代的修复策略，该方法使得在无线多跳网络中能够高效地进行数据恢复，节约了数据包传输的次数。并通过理论证明了该方案可以工作在非常小的有限域上。最后通过实验证明，该方

6、法相比传统方法在降低能量消耗的同时，还能均衡网络中的能量负载，从而能够提升网络的生存时间。(4)提出将多速率网络编码方法应用于无线多跳网络的组播通信中，该方法能够显著提升组播网络的吞吐量。并且提出了一种多速率网络码字的构造方法，该方法在绝大多数的网络情况下，都能使得接收节点以各自的最大流速率接收数据。并且提出了一个“流对齐”的方法来分离网络中的独立链路，从而显著地降低网络的复杂度。(5)提出了一个充分条件，当该条件满足时，网络中的所有目的节点均能以最大流的万方数据摘要博士论文速率接收数据。大量的实验证明，该方法所提出的多速率编码方法能

7、够提升网络的吞吐量，降低数据传输的能量消耗，并保证网络中接收节点的解码成功率。关键词：无线传感器网络，网络编码，多径路由，分布式存储，能量效率，多速率网络编码，数据修复II万方数据博士论文无线传感器网络中基于网络编码技术的能量效率研究AbstractInrecentyears，theadvancementofnewtechnologyanddecreamentofthecostofmanufactoryaccelatethedevelopmentofWirelessSensorNetworks(WSNs)．Sincethesensor

8、nodesareeasytobedeployedandhavevariousfunctions，theyarewidelyusedindifferentfieldssuchasmedicalcare，targettrac