无线传感器网络中能源有效设计方法的研究

摘要

随着超大规模集成电路、微电机系统与无线网络技术的发展，一类新型的无线网络平台-无线传感器网络应运而生，该网络可利用传感器节点从感兴趣的区域中采集数据并通过多跳的方式与收集节点进行通信。由于其易操作、节点自身成本低等特点，与之相关的理论研究吸引了众多学者的目光。考虑到节点自身能量有限及不易反复充电，为延长传感器网络的持续工作时间就需要进行能源有效的设计。相比于网络节点的平面结构，分簇结构具有能耗低、可扩展性强且便于对网络节点进行管理的特点，从而可以大大的提高网络性能。迄今为止，分簇算法仍被认为是最有效的方法，我们因此在本文中也对该方法进行了深入的探索和研究。在给出网络能耗的表达式之后，我们提出并实现了一个在大规模传感器网络下能源有效的多层分簇算法。
　　在基于分簇的传感器网络中，我们首先分析了节点单位时间的能耗与数据传输延迟的大小，之后在网络持续工作时间和数据延迟这两个约束条件下提出了一个使得网络节点总成本费用最小的优化分簇机制。基于该机制，我们通过某些优化算法给出了相应的仿真结果。这些结果对网络操作人员具有一定的指导意义。
　　节点能耗、网络连通和网络可靠度是分簇结构中需要重点考虑的三个属性。要准确的评价和预测网络的持续工作时间，首先要对网络持续工作时间进行正确的定义。实际上，不同的应用环境下对该定义有所不同。例如可以分别定义为从网络节点开始工作到网络中第一个节点能量耗尽的时间间隔、到网络中一定比例节点能量耗尽的时间间隔、到网络覆盖比率小于某一数值的时间间隔或者是到网络不再连通的时间间隔等。在本文中，网络持续工作时间的定义结合了上述的第一种情况和第四种情况。在进一步考虑节点可靠度模型的基础上，本文给出了预测网络持续工作时间的算法，并应用仿真实验对算法的正确性和有效性进行了验证。
　　受节点有限通信半径的制约，在分簇结构中簇内的普通节点与簇头节点之间常采用基于均匀划分的多跳通信机制，即该机制假定簇结构内所有非簇头节点均以相同的通信半径进行数据的传输。本文通过分析指出所有非簇头节点因其与簇头节点的距离、负载量不同而存在能耗不均衡的现象。基于这些观察，我们提出了一个簇内基于非均匀划分的能源有效的多跳通信机制，并计算出了不同位置下非簇头节点每一跳的最优传输距离。大量的数值结果表明簇内非均匀划分机制下的网络持续工作时间要大于传统的簇内均匀划分机制下的网络持续工作时间。
　　在面向环境监测的应用环境中，覆盖是衡量网络服务质量(QOS)最重要的指标之一。为了更好的刻画这一指标，在分析网络覆盖问题时还应同时考虑边界效应的影响。同时也需要确保网络的连通性使得收集节点能够接收到网络中所有工作节点所采集的数据以便进行下一步的处理。本文中，在边界效应因素下，我们分别对网络覆盖和网络连通进行了分析。应用上述分析结果，我们提出了一个维持网络覆盖和网络连通的能源有效路由算法。相比于与覆盖相关的其它算法，仿真结果表明利用该算法的计算结果可以满足预定的网络属性需求，这既包括网络覆盖的需求，也包括网络连通的需求。此外，在该算法运行过程中每个工作节点还可以维护一条到收集节点跳数最少的路径，从而降低收集节点的接收延迟。

目录

无线传感器网络中能源有效设计方法的研究

RESEARCH ON ENERGY-EFFICIENT DESIGN

摘 要

Abstract

目 录

第1 章 绪 论

1.1 课题背景

1.2 能源有效网络协议层的研究现状与进展

1.3 能源有效节点调度算法的研究现状与进展

1.4 当前研究工作存在的主要问题

1.5 本文的主要研究内容与结构

第2 章 大规模传感器网络能源有效的多层分簇算法

2.1 准备工作

2.2 网络能耗分析

2.3 传输延迟分析

2.4 能源有效的多层分簇算法EEMC

2.5 仿真实验

2.6 本章小结

第3 章 传感器网络中基于最小成本费用的优化分簇机制

3.1 研究背景

3.2 预备知识

3.3 不可靠链路下簇内能耗分析

3.4 不可靠链路下簇内传输延迟分析

3.5 基于最小成本费用的优化分簇机制：OCSMC

3.6 仿真实验

3.7 本章小结

第4 章 传感器网络中基于簇内数据融合树的生存时间问题

4.1 相关工作

4.2 前提假设及模型介绍

4.3 簇内数据融合树的连通分析

4.4 簇内数据融合树的生存时间分析

4.5 仿真实验

4.6 本章小结

第5 章 传感器网络能源有效的簇内非均匀划分机制

5.1 准备工作

5.2 问题描述及其解决方法

5.3 数值结果及讨论

5.4 本章小结

第6 章 传感器网络边界效应下维持覆盖和连通的能源有效算法

6.1 本章的主要工作

6.2 网络覆盖和网络连通分析

6.3 边界效应下维持网络覆盖和连通的能源有效路由算法ECCRA

6.4 仿真实验

6.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历