无线传感器网络中网络层节能策略研究

论文摘要

由具有感知能力、计算能力和通信能力的大量微型传感器组成的无线传感器网络是计算机科学技术的一个新的研究领域，在民用和军事方面具有十分广阔的应用前景，已经引起了学术界和工业界的高度重视，被认为是本世纪的一项具有重大意义的研究课题。无线传感器网络节点能源配置比较有限，通常情况下也不容易进行节点更换和充电，为了提高网络系统寿命，设计高效的能量受限的路由协议至关重要。而无线传感器网络与其它无线网络存在许多不同特点，因此其它无线网络中的路由协议并不能简单地移植到无线传感器网络当中来，这使得无线传感器网络中的路由技术设计面临诸多挑战：能量均衡问题。网络中节点中继负载不同导致节点能量消耗不同，因此有必要把可能影响系统通信性能的关键节点或关键路径上的负载转移到其它节点或其它路径，达到能量均衡的目的，从而提高通信系统寿命。目前解决能量均衡问题主要是采用节点切换技术或多径传输技术，它们都没有很好地考虑资源的使用率问题和切换的复杂性问题。QoS路由技术。随着科学和技术的进步，以及应用的需求，传感器网络必须要求满足一定的QoS要求。多数无线传感器网络路由协议仅仅考虑可达性问题和节能问题，一些协议虽然提供了一定的QoS保证但还很不成熟。因此，需要研究和设计满足一定QoS要求的无线传感器网络路由协议，才能确保传感器节点对采集数据的及时处理与传输。拓扑结构研究。无线传感器网络主要有两种拓扑结构：平面结构和分簇结构，分簇结构由于其可扩展性和易管理性而得到了广泛的重视。现已有多种簇头选举方案，但是这些方案本身很少关心选举过程中的能量消耗，而且簇头工作轮换时间都是事先设置，不能够根据网络运行状况自动进行调整。因此，有必要研究一种根据系统运行状况自适应的分簇形成策略。本文针对上述问题，主要从以下几个方面研究无线传感器网络中能量受限的路由技术：(1)能量均衡的多径传输策略；(2)有效的中继能量均分技术；(3)实时环境应用中的传感器网络路由协议；(4)最小转换代价分簇形成策略。本课题的研究得到了国家自然科学基金No.60572049、湖北省自然科学基金No.2005ABA264和国家自然科学基金No.60302004的资助。本文取得的研究成果包括如下几个方面：1.基于决定性能量比例的多径传输技术：提出了一种基于决定性能量比例(DER)和冲突避免机制的决定性能量比例(DEROA)的多径传输技术，可以有效地达到能量敏感和负载均衡。2.最大化中继能量均分策略：严格分析了中继能量的消耗，指出距离sink只有一跳的节点对系统寿命具有最显著的影响，在此基础上提出了一种有效的最大化中继能量均分(MRED)的传输技术，可以有效地延长系统寿命。3.能量敏感时延受限的传感器网络路由协议：引入有效传输(ET)概念确定路由查找过程中的前向候选节点集合，通过受限等效时延(CED)度量值提供时延保证，并提出了一种能量和时延同时敏感的路由协议。4.自适应最小转换代价分簇形成策略：提出了一种自适应最小化转换代价法(AMRC)动态选择簇头，有效减少了簇头转换次数，从而大幅降低了转换开销，并结合了簇头选取过程中静态和动态的优点，保证了分簇结构的灵活性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 缩略语索引
• 1.绪论
• 1.1 选题背景与课题意义
• 1.2 主要创新点
• 1.3 研究内容与本文组织
• 2.无线传感器网络路由协议综述
• 2.1 概述
• 2.2 路由度量指标
• 2.3 各种路由协议分析
• 2.4 对比研究
• 2.5 路由协议的通用要求
• 2.6 未来研究方向
• 3.基于决定性能量比例的多径传输技术
• 3.1 问题的提出
• 3.2 决定性能量比例方法
• 3.3 过载避免机制的决定性能量比例解决方案
• 3.4 仿真结果与分析
• 3.5 小结
• 4.最大化中继能量均分策略
• 4.1 问题的提出
• 4.2 分析模型
• 4.3 能量均分原理
• 4.4 能量均分实现过程
• 4.5 仿真结果与分析
• 4.6 小结
• 5.能量敏感时延受限的路由协议
• 5.1 问题的提出
• 5.2 相关研究工作
• 5.3 有效传输模型
• 5.4 受限等效时延模型
• 5.5 协议描述
• 5.6 仿真结果与分析
• 5.7 小结
• 6.最小转换代价分簇形成策略
• 6.1 问题的提出
• 6.2 分簇结构分类描述
• 6.3 最小转换代价分簇策略
• 6.4 性能仿真
• 6.5 小结
• 7.总结与展望
• 7.1 本论文的总结
• 7.2 对后续研究的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1.攻读博士学位期间发表论文目录