无线传感网中能量有效的节点调度策略研究

摘要

随着计算机技术、无线通信技术和微电子技术的发展和成熟，无线传感器网络逐渐成为收集和处理海量数据的重要途径。在无线传感器网络中，大量部署在特定区域内的集感知、计算和通信能力于一体的传感器节点以自组织的方式形成信息采集网络，并在有效时间内将数据转发给终端用户。由于其具有良好的适应性和可扩展性，无线传感器网络能够部署在众多人工管理困难、环境复杂的实际场景中，在军用、商用和民用领域中具有广阔的应用前景。
　　网络能量有效性是评估无线传感器网络性能的重要指标。由于微型传感器节点电池容量有限，且一般部署于不易充电的大规模复杂环境中，如何提升网络的能量利用效率已经成为无线传感器网络研究的关键问题。节点调度是优化网络能耗的一种有效解决方案。无线传感器网络中的节点部署密集，数据冗余程度较高，大量相似数据的传输将会为网络的无线通信带来额外负担。节点调度能够通过在时间和空间上管理网络节点的工作状态来优化网络数据传输和能耗效率，在满足服务质量的同时减少能量消耗，从而延长网络的生存时间。
　　本文首先研究了非均匀任务分布无线传感器网络中的节点调度问题，根据任务负载状态定义了节点状态转换模型。进而提出了基于马尔可夫链的任务量预测机制，通过计算不同节点状态的转换概率来获得下一个时间区间内的任务量预测结果。接下来描述了一种能量有效的节点调度博弈算法，该算法综合考虑了区域平均任务负载水平和节点剩余能量水平两个关键参数，基于局部信息使每个节点获得最优的调度策略。随后本文针对无线传感器网络中入侵检测类应用的节点调度问题展开研究，构建了三维环境下的全方位入侵检测网络模型。在外层监测空间中采用区域全覆盖调度方案来保证网络监测质量。同时文中提出了一种基于轨迹预测的内层节点调度算法，该算法根据入侵目标的运动趋势概率统计结果，调度相关节点对内层监测空间中的移动目标进行轨迹跟踪，有效地节约了无关节点的能量消耗。此外文中提出了一种轨迹校正策略，能够在目标丢失的情况下通过扩散覆盖的方式对目标进行快速重定位。该方案在保障监测质量的同时，极大地提升了网络的能量利用效率。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 主要研究内容

1．4 本文组织结构

2 无线传感器网络节点调度相关理论研究

2．1 无线传感器网络概述

2．1．1 网络体系结构

2．1．2 网络基本特征

2．1．3 关键技术分析

2．2 节点调度问题研究

2．2．1 节点调度概论

2．2．2 调度方法分类

2．2．3 性能评价指标

2．3 本章小结

3 无线传感器网络中基于任务预测的节点调度博弈算法

3．1 系统模型与问题描述

3．1．1 网络模型

3．1．2 问题描述及相关定义

3．2 节点状态转换模型

3．3 基于马尔可夫链的任务量预测机制

3．3．1 马尔可夫预测模型

3．3．2 任务量预测方法

3．4 能量有效的节点调度博弈算法

3．4．1 网络博弈模型

3．4．2 ENSG算法过程与分析

3．5 实验结果与分析

3．6 本章小结

4 3D传感器网络中面向全方位入侵检测的节点调度算法

4．1 系统模型与问题描述

4．1．1 网络模型及相关定义

4．1．2 问题描述

4．2 外层监测空间全覆盖模型

4．2．1 区域全覆盖模型

4．2．2 外层监测空间节点调度方案

4．3 基于轨迹预测的内层节点调度算法

4．3．1 入侵目标轨迹预测方法

4．3．2 预测轨迹修正策略

4．4 实验结果与分析

4．5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢