高能效无线传感器网络分簇算法的研究

摘要

物联网产业的发展方兴未艾，作为其核心技术之一的无线传感器网络在诸多领域内都具备广阔的应用前景。在其相关的应用场景中，无线传感器网络严重受到能源及其自身软硬件资源的限制，很大程度上放缓了其大规模应用的脚步。在传感器网络的研究中，高能效问题以及覆盖问题作为重要的性能指标，一直是首要设计目标。本课题主要研究无线传感器网络的高能效问题，致力于提高网络的覆盖生命周期。
　　该研究领域的前沿研究表明，基于分簇结构的层次网络被证明是比较高能效的网络模型。对于随机部署的应用，传感器节点调度技术也是提高网络生命周期的重要手段之一。本研究将继续深入研究高能效的分簇算法，优化网络结构，使得整体网络能耗尽量均衡。求解整体网络的能耗理论下限值，并设计相适应的分簇算法对网络进行分簇，使能耗逼近理论模型，最大化网络覆盖生命周期。
　　本论文的主要贡献如下：
　　（1）本文对无线传感器网络的能耗不均衡问题提供了解决方案，使得整体网络能耗更加均衡，提高网络覆盖生命周期。传统WSNs的自组织网络中会产生能耗金字塔效应，即热区问题，且该热区问题随着网络的规模扩大急剧增大。本课题提出采用移动节点将热区问题弱化的解决方案，使得网络能耗均衡化。
　　（2）本课题对传统WSNs中的分簇模型做了改进，并建立能耗计算理论模型，推理得出能耗最优簇尺寸。本课题着重研究了高能效的分簇方案及其相关算法，首先提出了分簇方案，将WSNs均匀的划分成等大小的簇结构。然后建立理想覆盖模型，利用理想模型求解能耗最优簇尺寸。在计算最优解的过程中，结合上述解决热区问题的移动节点，对整体网络能耗进行优化，使得能耗逼近下限值。
　　（3）本论文提出找出最多的满足用户需求的覆盖率的覆盖集，使之同时进行监测作业，形成延时全覆盖效应。本课题着重研究如何使得网络的覆盖生命周期最大化。因为覆盖率对于应用来说也是非常重要的参数，如果不能达到用户的覆盖要求，则网络是无效的。本课题采用计算复杂度很低的算法选取出尽量多的满足覆盖率的覆盖集，这些覆盖集将在不同的时间周期内工作。在保证单个覆盖集的覆盖率的同时，也能保证整个被监测区域内各个区域都能在一定的延迟内被监测到。该方案对于非严格实时的应用中具有非常实用价值，可以使得整体网络的覆盖生命周期大大增加。
　　（4）最后针对本文特定的分簇方案，制定适合该高能效分簇方案的配套算法。通过上述对提高 WSNs覆盖生命周期的研究并制定的解决方案和优化结果。本课题接着制定适合自身的协议，包括分簇算法，覆盖集的选取，簇首节点的选取，骨干网络的生成及其修复等算法。通过这些协议互相协作配合，可以保证网络正常运行。
　　总之，当前的大规模无线传感器网络的应用中仍存在许多问题尚未得到完善。本文立足于网络的高能效问题以及能耗均衡给出了可行方案，理论层面上有一定的创新性，应用层面对其规模化的应用有一定的工程价值。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景和研究意义

1.2 国内外发展现状及分析

1.3 主要研究内容

1.4 本论文的内容与组织结构

第2章 无线传感器网络能耗模型

2.1 影响网络覆盖生命周期的主要因素

2.2 大规模无线传感器网络中的簇尺寸建模

2.3 无线传感器网络及其能耗模型

2.4 本章小结

第3章 WSNs的能耗下限值求解

3.1 簇内能耗计算

3.2 簇间数据传输能耗

3.3 网络单位面积平均能耗下限及最优簇尺寸

3.4 本章小结

第4章 高能效分簇结构WSNs的配套算法

4.1 WSNs的分簇算法

4.2 覆盖集的选取算法

4.3 簇首节点的选取算法

4.4 骨干网络的生成

4.5 骨干网络的修复

4.6 本章小结

第5章 模拟仿真实验分析

5.1 模拟实验

5.2 实验结果分析

结论

参考文献

声明

致谢