基于覆盖连通分析的无线传感器网络优化研究

论文摘要

由低成本、低功耗、具备感知、数据处理、存储和无线通信能力的微型传感器节点形成的无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术。无线传感器网络因其巨大的应用前景而受到学术界和工业界越来越广泛的重视,但是新技术在带来应用机会的同时,也带来了新的研究问题。连通与覆盖是无线传感器网络的两个最基本的问题。连通与覆盖不仅决定了一个无线传感器网络能否正常工作,还在很大程度上影响着整个网络的能耗、生存时间和服务质量等重要参数;而涉及覆盖、连通和能量消耗的节点部署是无线传感器网络工作的基础,同样对网络的运行情况和寿命有很大的影响。传感器节点的部署反映了无线传感器网络的成本和监视能力。因此,对基于连通与覆盖分析的传感器节点优化部署研究具有积极的理论意义和广泛的应用价值。尽管国外已经在这方面开展了一些相关研究,由于不同的应用有不同的部署特点和目标,仍然面临很多挑战。本文综合大量无线传感器网络部署相关的技术文献和研究结果,着重分析无线传感器网络中连通、覆盖及节点部署问题的研究的现状以及对已有算法存在的问题的剖析,指出下一步的研究方向。论文首先理论分析证明了无线传感器网络进行区域监测的最佳无缝覆盖方案以及节点数量与监测区域的关系,接下来分析一种合理的无线传感器网络模型保持覆盖连通的概率与传感器节点数量、通信半径及感知半径,节点可靠性等参数的关系,结论可作为对无线传感器网络设计与部署的参考评价指标。针对理论研究分析结果,提出两种有应用价值的节点部署方案,实现满足无缝覆盖和有不同覆盖率要求的节点部署设计应用,最大化地利用节点覆盖、连通性能,保证网络覆盖/连通的同时优化节点数量,从而降低网络的配置代价。最后,本文研究分析了组织在传感器网络簇域中的传感器节点通过单跳或多跳的方式传送数据到簇首这两种通信模式下传感器节点的能耗和基于传感器网络覆盖控制的节点簇首数量确定问题,对推导建立的优化模型进行了分析,验证及总结。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 无线传感器网络简介
• 1.2 无线传感器网络的研究现状
• 1.3 无线传感器网络的研究内容
• 1.4 论文研究内容
• 1.5 论文组织结构
• 第二章 相关研究
• 2.1 无线传感器网络的覆盖问题
• 2.2 有关覆盖连通问题的算法研究
• 2.2.1 传感器节点感知模型
• 2.2.2 区域覆盖
• 2.3 无线传感器网络部署问题
• 小结
• 第三章 无线传感器网络的覆盖、连通性分析
• 3.1 相关定义
• 3.2 覆盖性
• 3.2.1 覆盖问题描述
• 3.2.2 覆盖性的理论分析
• 3.3 覆盖连通性
• 3.3.1 问题描述
• 3.3.2 WSN 保持覆盖连通的概率分析
• 3.3.3 应用
• 小结
• 第四章 无线传感器网络节点的优化部署设计
• 4.1 基于无缝覆盖的节点优化部署设计
• 4.1.1 算法的提出
• 4.1.2 算法的设计
• 4.1.3 验证及结果分析
• 4.2 基于覆盖率的节点优化部署设计
• 4.2.1 三角剖分
• 4.2.2 算法的设计
• 4.2.3 验证与结果分析
• 小结
• 第五章 无线传感器节点覆盖控制的优化分析
• 5.1 传感器节点的能耗分析
• 5.1.1 圆形簇域下的单跳通信能耗分析
• 5.1.2 圆形簇域下的多跳通信能耗分析
• 5.1.3 球形空间和线性簇域内能耗分析
• 5.2 数据聚合模型的建立
• 5.3 决策最佳簇首数量思路
• 5.3.1 单跳通信模式下的最佳簇首数量
• 5.3.2 多跳通信模式下的最佳簇首数量
• 5.4 仿真验证
• 小结
• 第六章 总结与下一步工作
• 6.1 研究工作总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间从事的主要科研工作和发表的论文
• “基于覆盖率的节点优化部署设计”的部分测试结果