无线传感器网络节能方法及关键技术研究

论文摘要

无线传感器网络（wireless sensor network, WSN）由部署在监测区域内大量微型传感器节点组成,通过无线通信的方式形成的一个多跳的自组织的网络系统,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息,并发送给观察者。无线传感器网络可以看作是人类感知系统的扩展与延伸,它扩展了人们信息获取的能力,将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起,通过网络传输的方式为人类提供实时的、直接的、有效的、真实的信息。网络节点的数目庞大是无线传感器网络的一大特点,而且与传统网络相比,无线传感器网络又是无中心的、自组织的,无线传感器网络节点数目庞大使得节点电池不便替换,如何对已获得的大量信息进行记录、管理、使用也为研究人员提出了挑战,正是由于这些特点,网络的能耗问题以及定位问题成为了无线传感器网络亟待解决的主要问题。另外无线传感器网络无中心的特点,使得网络没有一个相对稳定的路由机制,节点以及网络的节能算法、网络定位算法以及节点间的协同都需要自组织地完成,而由于节点失效导致的网络拓扑变化又极其复杂,因此如何安全、可靠、稳定地自组织协同是无线传感器网络面临的又一难题。本文主要以节能为主线,从自组织层面对无线传感器网络所面临的挑战展开了研究。在详细分析了无线传感器网络所受限制与挑战的基础上,指出能耗问题、自组织问题以及定位问题是无线传感器网络重要科学问题并提出以经济学现象为参考,借鉴经济学规律,使用博弈理论等方法对该问题进行深入研究。本文的主要贡献与创新点如下：1.对无线传感器网络中的可靠性与能耗进行了分析,引入非对称多厂商古诺模型使节点在空间上博弈,最终在冗余数据传输和能耗上进行权衡。理论分析表明,在给定约束条件下,该博弈模型存在纳什均衡,并给出了根据数据冗余度门限获得节点发送数据策略的决策方法。模拟实验表明,该方法可以使节点自主对是否发送数据进行决策,并有效控制数据采集的冗余度,同时减小了节点发送数据负荷,延长了节点寿命。2.提出了一种用于无线传感器网络的价格驱动的负载均衡调度机制,为每个节点设置一个逻辑价格函数,作为节点进行路由选择时流量分发的依据。给出了价格驱动情景分析以及逻辑价格函数的选取原则。当转发数据时,节点可以根据转发数据量的大小调节逻辑价格函数对流量分发节点的选择施加影响。模拟实验结果表明,本文提出的调度机制有效控制了节点间的负载平衡,并且使用该机制可以使网络中节点动态改变价格策略,对整个网络的流量调度施加影响。3.提出可以为休眠调度提供预测服务的预测模型,为休眠调度提供技术支撑。利用事件分布统计模型和转发概率模型在预测模型中的应用将问题简化,以初步对预测模型进行本质分析,从而为进一步研究奠定基础。由于所提预测模型基于统计模型但并不是一个严格的统计模型,因此采用了数值量化的方式对模型进行了刻画,并对该数值进行归一化处理以便模型可以容易得到控制。4.在对DV-Hop算法的定位精度问题进行了详细分析的基础上,指出DV-Hop算法定位分辨能力有限,其根源在于计算平均每跳距离估计的约束过于简单,仅以跳数为约束并不能体现出网络拓扑的细节约束特征,因此其定位结果也必然将过于依赖网络各向同性的特点,可以通过合理采集网络信息量与定位精度的方式解决这一问题,即在能耗与定位精度间进行权衡。提出了三角路径改进算法3DV-Hop,使用三角路径的距离估计与跳数代替DV-Hop算法中的单跳距离估计与跳数,对DV-Hop算法进行改进,并通过模拟实验验证了引入三角路径约束的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 无线传感器网络简介
• 1.2 关于无线传感器网络提法的讨论
• 1.3 无线传感器网络受到的限制及其面临的挑战
• 1.3.1 能耗问题
• 1.3.2 自组织问题
• 1.3.3 定位问题
• 1.4 无线传感器网络中的自组织问题
• 1.4.1 自组织方法决策基础的讨论
• 1.4.2 集中式与分布式问题的讨论
• 1.4.3 经济学现象讨论
• 1.4.4 博弈论初步与自组织问题
• 1.5 传感器网络的前景和发展趋势
• 1.6 本文的主要贡献
• 第2章 无线传感器网络中节能与可靠性的权衡方法研究
• 2.1 研究基础
• 2.2 能耗与可靠性的博弈模型
• 2.3 基于博弈模型的决策生成
• 2.4 模拟实验
• 2.5 小结
• 第3章 无线传感器网络中价格驱动的负载均衡研究
• 3.1 研究基础
• 3.2 价格驱动的负载均衡模型
• 3.2.1 价格驱动的负载均衡模型分析
• 3.2.2 逻辑价格函数的选取
• 3.3 模拟实验分析
• 3.4 小结
• 第4章 无线传感器网络休眠调度预测模型
• 4.1 研究基础
• 4.2 无线传感器网络中的能效技术分析
• 4.3 无线传感器网络休眠调度机制的预测模型
• 4.4 预测模型特性分析
• 4.5 小结
• 第5章 无线传感器网络节能信息量权衡的DV-Hop改进算法
• 5.1 研究基础
• 5.2 DV-HOP定位误差分析
• 5.3 3DV-HOP算法
• 5.4 拓扑生成器
• 5.4.1 拓扑生成器的设计目标
• 5.4.2 拓扑生成器的功能需求
• 5.4.3 拓扑生成器的数据格式规范
• 5.5 算法仿真及分析
• 5.6 小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 本文的工作总结
• 6.2 进一步的研究与展望
• 参考文献
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果
• 后记和致谢