基于能量感知的无线传感器网络覆盖问题研究

论文摘要

无线传感器网络是由大量具有信息采集、数据处理和传输功能的，集成有数据采集单元、数据处理单元、数据通信单元和能量供应单元的微型传感器节点自组织形成的无线分布式网络系统，是继Internet之后将对21世纪人类生活方式产生重大影响的IT热点技术。它在军事国防、环境监测、医疗保健、智能家居、农业等领域都有广泛的应用。无线传感器网络融合了信息世界与物理世界，改变了人与自然的交互模式。目前，无线传感器网络得到了社会各界人士的广泛关注，为社会带来不可估量的效益，同时也引发了无线传感器网络技术的研究热潮。无线传感器网络工作环境恶劣，节点通常通过随机撒播的方式部署在监测区域中，节点分布极不均匀，并且节点能量有限、不能补充，所以采用有效的节能覆盖方法和能量消耗均衡机制，延长网络寿命，成为无线传感器网络研究和设计首要考虑的问题。在无线传感器网络中，覆盖问题的最终目的是在不降低原有覆盖水平的基础上，有效分配各节点的状态，最小化网络每轮的能量消耗，同时使每个节点平均分担网络能耗。网络覆盖直接反映网络对物理世界的监测能力，能量消耗则决定了无线传感器网络的生存寿命，网络覆盖与能量消耗密切相关。本文研究了基于能量感知的无线传感器网络覆盖问题，主要的研究内容包括：1)首先对无线传感器网络的基本概况作了简单介绍，包括组成架构、特点、应用领域、关键技术和国内外研究现状；又对混合传感器网络的相关研究作了总结概述。接着，着重描述了无线传感器网络覆盖问题的基础知识、分类，覆盖算法的评价指标和节能覆盖的研究现状；并对目前学者们提出的大量覆盖算法进行了讨论。虽然这些算法减少了网络整体能耗，但只着重考虑了移动节点需移动的距离，没有更好地考虑网络中移动节点自身的剩余能量，不能做到每个节点的能耗平衡。2)充分考虑移动节点的两个重要因素，移动距离和剩余能量，定义了覆盖算法中选择移动节点的新标准——终余能量，分别对基于Voronoi图的覆盖增强算法和基于虚拟力的目标多重覆盖算法进行了改进，均衡了网络中节点的剩余能量。通过仿真实验，本文证明了该改进方法的有效性。在保证网络覆盖质量的同时，它充分利用了节点的能量，提高了网络能量使用率，有效延长了网络寿命。3)当网络出现覆盖空洞时，无线传感器网络常用移动节点来修复它们。针对选择冗余节点修复覆盖空洞的级联移动问题，综合考虑各节点的剩余能量引入了路径的能量可用率和决定性能量的概念，从多目标优化的角度优化了级联移动路径。仿真实验结果表明，该方法具有良好的性能，减少了网络中节点的平均移动距离，平衡了各移动节点的能耗，提高了网络的能量使用效率，从而延长了无线传感器网络的寿命。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 无线传感器网络概述
• 1.2.1 无线传感器网络的基本架构
• 1.2.2 无线传感器网络的特点
• 1.2.3 无线传感器网络的应用
• 1.2.4 关键技术
• 1.3 无线传感器网络的国内外研究现状
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.4 混合传感器网络相关研究
• 1.5 论文的组织结构
• 第二章 无线传感器网络覆盖问题
• 2.1 覆盖问题的基础知识
• 2.1.1 基本概念
• 2.1.2 节点感知模型
• 2.1.3 网络覆盖模型
• 2.2 覆盖问题的分类
• 2.2.1 监测对象不同
• 2.2.2 节点配置方式不同
• 2.3 覆盖算法的评价指标
• 2.4 节能覆盖研究现状
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于剩余能量的覆盖算法改进
• 3.1 相关覆盖算法研究
• 3.2 相关概念
• 3.3 基于 Voronoi 图的覆盖增强算法改进
• 3.3.1 算法的基本原理
• 3.3.2 算法改进
• 3.3.3 仿真实验
• 3.4 基于虚拟力的目标多重覆盖算法改进
• 3.4.1 算法的基本思想
• 3.4.2 算法改进
• 3.4.3 仿真实验
• 3.5 本章小结
• 第四章 无线传感器网络覆盖能量优化
• 4.1 优化方法的提出背景
• 4.2 ICM 优化方法
• 4.2.1 基本假设
• 4.2.2 相关概念
• 4.2.3 中间级联移动节点的选择
• 4.2.4 最优路径的选择
• 4.2.5 仿真实验
• 4.3 本章小结
• 第五章 结束语
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间的论文发表情况
• 致谢