无线传感器网络部署中相关节能技术的研究

摘要

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSNs）是目前备受国际关注的热点研究技术。在无线传感器网络中，传感器节点所携带的电池能量是极其有限的;同时，受部署环境的限制，通过人工更换电池延续节点的工作寿命不实际也不容易。因此，节能问题一直以来都是无线传感器网络中的重点研究问题之一。本文从网络部署的角度出发，对无线传感器网络部署中相关节能技术进行了较深入的研究，主要包括静态传感器网络部署中的节能优化组网技术、移动传感器网络部署中的节点节能优化控制技术和移动传感器网络部署中的网络节能优化覆盖技术三大部分内容。
　　 如何对无线传感器网络进行有效的部署组网设计是提高无线传感器网络工作寿命、降低网络部署成本的首要和关键问题。针对这个问题，本文对静态无线传感器网络部署中的节能优化组网技术进行了较深入的研究，并提出了一种适用于静态传感器网络中确定性部署的节能优化组网方案。该组网方案有以下几个特点:1）采用非线性电池能耗模型，对节点的能耗进行准确评估;2）引入节点的非均匀部署策略，即在不同网络部署区域放置不同数量的节点，均衡网络负载;3）采用TDMA技术为节点数据的收发分配时隙，并调度部署在同一位置上的节点，使其交替轮流工作;4）采用节能优化的正交调制技术对节点数据进行调制，降低节点的通信能耗。为评估该组网方案的性能，本文将其与一种简单的节点部署组网方案进行了仿真比较。仿真结果表明，本文所提出的组网方案不仅能有效地提高网络工作寿命，并能同时减少网络部署所需的总节点数，降低网络部署成本。
　　 相较于静态传感器网络，在移动传感器网络中，由于节点具有移动功能，其肩负的任务更为艰巨，同时节点的移动也使得网络的能耗问题更为严峻。针对这个问题，本文从以下两方面出发，对移动传感器网络部署中相关节能技术进行了较深入的研究:一方面，我们从单个节点的节能技术出发，研究移动节点的节能优化控制技术;另一方面，我们从整个网络的节能技术出发，研究移动传感器网络的节能优化覆盖技术。
　　 在移动传感器网络部署的节点节能优化控制技术研究中，本文引入非线性电池能耗模型对节点运动过程中的电机能耗进行评估，建立了移动节点的实际运动能耗模型。在该模型的基础上，本文对节点的节能优化速度控制方案进行了较深入的研究，从理论分析和仿真验证两方面探讨了节点电机最大角速度对节点加减速阶段能耗、匀速阶段能耗以及节点运动总能耗的影响。研究结果表明，随着电机最大角速度的变大，节点加减速阶段的运动能耗在增加，而节点匀速阶段的运动能耗将出现一个或多个极值;同时，对于任意的直线移动距离，均能找到一个最优的电机最大角速度使得节点的总运动能耗最低。
　　 在移动传感器网络部署的网络节能优化覆盖技术研究中，本文结合网络覆盖漏洞的发现机制、节点的自部署算法、节点的节能优化控制技术以及网络能量均衡的策略，对现有的基于虚拟力的节点自部署算法（VFA算法）进行了改进，提出了一种基于漏洞导向虚拟力的网络节能优化覆盖算法——EVFA-V算法。相较于VFA算法，该算法综合考虑了区域边界对移动节点的影响、覆盖漏洞对节点的引力作用、节点之间的虚拟力作用、以及节点之间剩余能量均衡的问题，并在节点移动部署的过程中采用了节能优化的速度控制方案。为评估EVFA-V算法的性能，本文将其与VFA算法、虚拟力与Voronoi图相结合的节点自部署算法(VFA-V算法)进行了仿真比较。仿真结果表明，本文所提出的EVFA-V算法能有效地引导移动节点对网络的覆盖漏洞进行修补，更好地实现了在提高网络覆盖率的同时，降低网络部署总能耗，并均衡节点之间剩余能量的目的。
　　 本文通过理论分析和计算机仿真的方法探讨了静态传感器网络和移动传感器网络部署中的相关节能技术，这些技术将为静态传感器网络和移动传感器网络的节能部署应用提供理论参考和实际指导，具有重要的研究意义。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 无线传感器网络概述

1．1．1 无线传感器网络的体系结构

1．1．2 无线传感器网络的特点

1．1．3 无线传感器网络的应用领域

1．2 无线传感器网络的相关节能技术

1．3 课题的研究现状和研究意义

1．4 本文的主要工作及组织结构

第二章 无线传感器网络部署基本问题

2．1 无线传感器网络的常用部署方式

2．1．1 确定性部署

2．1．2 随机部署

2．2 无线传感器网络部署问题分类

2．2．1 目标点监测应用中的网络部署问题

2．2．2 目标区域监测应用中的网络部署问题

2．2．3 侵监测应用中的网络部署问题

2．3 无线传感器网络部署的性能评价指标

第三章 静态传感器网络部署中的节能优化组网技术

3．1 引言

3．2 节点的实际电池能耗

3．2．1 非线性电池能耗模型

3．2．2 电池的放电电流

3．3 静态传感器网络的节能优化组网方案

3．3．1 节点的感知模型

3．3．2 非均匀部署策略

3．3．3 节点的节能调度策略

3．3．4 正交调制技术及其节能优化

3．4 仿真结果及其性能分析

3．4．1 节点工作周期及相应运行时间的确定

3．4．2 网络寿命的定义

3．4．3 部署所需节点数的确定

3．4．4 实验仿真与分析

3．5 本章小结

第四章 移动传感器网络部署中的节点节能优化控制技术

4．1 引言

4．2 移动节点的移动模块硬件结构

4．3 移动节点的实际运动能耗模型

4．4 移动节点的节能优化速度控制方案

4．5 仿真结果及其性能分析

4．5．1 仿真参数设置

4．5．2 实验仿真与分析

4．6 本章小结

第五章 移动传感器网络部署中的网络节能优化覆盖技术

5．1 引言

5．2 基于Voronoi图的漏洞发现机制

5．3 基于虚拟力的节点自部署算法

5．3．1 算法主要思想

5．3．2 算法存在的缺陷

5．4 基于漏洞导向虚拟力的网络节能优化覆盖算法

5．4．1 前提假设

5．4．2 算法主要思想及其改进之处

5．4．3 算法的执行流程

5．5 仿真结果及其性能分析

5．5．1 评价指标

5．5．2 评价方法

5．5．3 仿真参数设置

5．5．4 实验仿真与分析

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表论文情况