基于虚拟力的无线传感器网络节点优化部署研究

摘要

作为一个分布式网络，无线传感器网络(WSN)是通过多跳、自组织进行通信，它的末梢是可以感知和监测外部世界的传感器。WSN设置灵活，设备位置可以随时更改，还可以跟互联网进行有线或无线方式的连接。近十年来，WSN已经受到学术界和工业界越来越大的关注，并已广泛应用于民用和军事领域。节点部署是WSN的基础研究工作之一，合理的网络节点部署算法有助于减少网络节点冗余、提高网络覆盖率、均衡节点能耗。
　　节点部署问题就是在指定的监测区域内，根据特定的要求来布置传感器节点。但监测区域有可能会是恶劣环境，使得无法更换传感器节点或给节点充电，这给节点部署带来极大的技术挑战。
　　论文针对WSN节点部署算法展开研究。全文安排如下：第1章介绍课题研究的背景及国内外研究现状；第2章介绍WSN网络基本概念，包括其体系结构、网络特点、网络应用；第3章分析了目前使用的虚拟力算法特点和应用环境，针对其存在的缺点和应用局限性进行了相关改进，提出一种适合WSN网络部署的改进虚拟力算法(WVFA)；第4章对提出的改进虚拟力算法进行性能仿真与分析；结论对全文进行总结，指出本论文的不足之处，并对其发展方向进行了展望。
　　第3、4章是本论文的研究重点。在第3章中，为了实现无缝覆盖，提出一种基于虚拟力的WSN节点部署算法，该算法不仅研究区域最优覆盖，还考虑移动节点的能耗问题。针对区域内部覆盖，首先将节点间虚拟力的作用范围缩小到通信范围内，然后从无缝覆盖的角度出发确定节点间产生作用力的阈值；对于边界覆盖问题，由节点在边界处覆盖冗余最小时确定节点到边界的最短距离。这样使得所有节点受力数目减小，易于所有节点达到受力平衡状态，实现最优覆盖。此外，所有节点移动距离的平均值反映网络整体能耗的大小，标准差反映了节点能耗的差异，为了减小节点移动距离的平均值和标准差，在节点位置更新中增加一个与该节点上一时刻受力大小相关的权值，最后实现最大化覆盖，最小化能耗。第4章是算法的性能仿真，结果表明：WVFA算法在提高网络覆盖率以及降低网络能耗方面的性能均优于VFA、CBS、HLVFA算法，它有效地延长了网络生命周期，实现了WSN的优化部署。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1 论文研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文内容及结构安排

1.4 本章小结

2 WSN感知模型与节点部署

2.1 WSN简介

2.2 节点感知模型

2.3 节点部署评价指标

2.4 经典的节点部署算法

2.5 本章小结

3 基于虚拟力的WSN节点部署算法设计

3.1 虚拟力算法

3.2 改进的虚拟力节点部署算法

3.3 本章小结

4 性能分析与仿真

4.1 仿真环境

4.2 仿真结果与分析

4.3 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果