基于网格的无线传感器网络生存期延长策略研究

论文摘要

集成了传感器、嵌入式计算、网络和无线通信四大技术而形成的无线传感器网络（Wireless Sensor Networks, WSN）是一种全新的信息获取和处理技术。它在环境、健康、军事、空间探索和灾难拯救等领域有广阔的应用前景,引起了学术界的高度重视。传感器节点一般在野外工作,由电池供电,这限制了网络生存期。如何能减少能量消耗,延长网络的生存期,是本文的研究重点。首先介绍了无线传感器网络的特点、应用、研究现状以及发展前景;接着比较分析了现有的无线传感器网络路由协议,针对目前传感器网络中现有的各种节能策略,从以下三个方面进行了研究:第一,一些路由协议仅考虑整个网络消耗的能量,并没有考虑单个节点能量消耗,导致整个传感器网络失效。为延缓传感器网络寿命,提高能量使用效率,提出了一种新的无线传感器网络基于网格的节能路由（Grid-based Energy Efficient Routing, GEER）算法。该算法首先通过公式推导给出了能效较优的网格边长大小的设定公式,引入了一个有关距离和剩余能量的代价函数,以该函数值作为路由选择参数来进行最优路径的选择。通过NS-2仿真,对GEER与传统的路由算法进行了评估。仿真结果表明,该算法的节点存活个数多,网络生存期长,可扩展性好。第二,从关注能量节约和均衡运用来延长网络寿命的角度,提出一种新的基于权重引导的高能效路由（Weight-Directed Energy Efficient Routing, WDEE）算法,该算法通过在每个网格把传感器节点分组编址,并对节点进行能量分级,在兼顾每个网格的能量状况的同时,充分利用路由方向性信息,引入路由权重概念,可以实现引导节点既考虑能量均衡使用,同时实现快速路由数据到汇聚节点的目的。经仿真验证,该算法有效节约能量,均衡使用能量,延长网络生存期。第三,在实际的传感器网络中节点密度一般比较大,节点检测范围存在相互重叠,即存在大量的冗余数据,如何消除不必要的冗余数据成为减少网络能量消耗的一种重要的策略,本文基于传感器节点检测半径,提出了消除冗余节点的算法,并和前面的WDEE算法结合。该算法在保证覆盖检测区域的前提下,通过减少同时处于激活状态的节点个数,达到消除冗余节点的目的,仿真结果表明该算法能够有效地减少网络能量消耗,以进一步延长网络生存期。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1 无线传感器网络概述
• 1.1 特点
• 1.2 性能评价
• 1.3 应用
• 1.4 研究热点
• 1.5 发展前景
• 2 无线传感器网络中的路由协议
• 2.1 路由协议算法的设计目标
• 2.2 路由算法设计面临的挑战
• 2.3 研究现状
• 2.3.1 基于数据的路由协议
• 2.3.2 基于层次的路由协议
• 2.3.3 基于位置的路由协议
• 2.3.4 基于网络流的路由协议
• 3 基于网格的节能路由算法
• 3.1 能量模型与网格边长公式推导
• 3.2 算法思想
• 3.3 详细描述
• 3.4 仿真结果与性能分析
• 4 权重引导的节能路由算法
• 4.1 研究背景
• 4.2 网络模型和编址方式
• 4.3 路由算法的实现
• 4.3.1 路由发现阶段
• 4.3.2 路由维护阶段
• 4.4 仿真结果与性能分析
• 5 消除冗余算法
• 5.1 研究背景
• 5.2 算法设计
• 5.2.1 问题的提出
• 5.2.2 定义
• 5.2.3 生存期延长算法
• 5.3 仿真结果
• 6 总结和展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 工作展望
• 6.2.1 系统节能
• 6.2.2 时钟同步问题
• 6.2.3 安全性问题
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 发表的学术论文