无线传感器网络生命周期延长算法研究

论文摘要

无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术,它综合了传感器技术、微机电系统和网络技术,能够协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息并对其进行处理,将信息传送到用户。在军事、环境、医学、空间探索以及工业、民用和家庭网络等领域具有广泛的应用前景。传感器网络主要使用无线电技术、水声技术等进行通信,它们通常运行在人无法接近的恶劣甚至危险的远程环境中,电池无法进行充电,设计有效的协议及算法降低能耗、延长网络的生命周期成为无线传感器网络的核心问题之一。本文主要针对陆地传感器网路和水下传感器网络,在以下五个方面进行了研究。1)为降低传感器节点的能耗,提高能量使用效率,在平衡网络接收能耗和发送能耗的基础上,优化了陆地传输距离,提出一种新的能效路由算法——基于次优距离的多跳路由算法。该算法在局部区域里选择中转节点,使每一跳的传输距离接近最优传输距离,从而降低能耗。然后,针对不同的网络生命周期定义,提出了水下传感器网络的最优传输距离,并且通过仿真验证了算法的有效性。2)从节约能量和平衡能耗的角度来延长网络生命周期。提出基于概率的混合传输算法。针对两种不同的网络模型(基于蜂窝和基于环面划分),进行了分析,提出了新的概率求解算法,优化了边长和环面半径。针对在蜂窝模型下,实际传输距离与理论值有很大差距,造成能耗不能有效均衡的问题,基于环面划分模型,提出了一种路由算法,保证了实际传输距离与理论值更加接近,使提出的概率算法求解及平衡策略更加有效,进一步降低能耗。经过细致的仿真和对比证明,算法能够有效节约能量,均衡能耗,延长了网络生命周期。3)为水下传感器网络提出了一种基于能量级别的混传机制。在路由建立阶段,基于最优传输范围提出了能效路由算法。之后,在数据稳定传输阶段,提出了一种基于能量级别的数据传输方法,用来平衡网络能耗。在数据传输过程中,传感器节点通过将自己的能量级别和其相邻节点的能量级别相比较,决定是通过多跳传输模式转发数据,还是把数据直接传送给基站。这样,能耗就会得到更好的平衡。此外,优化了传感器节点的能量级别,将能耗最小化。仿真验证了该方法的有效性。4)针对前面提出的混和传输存在的问题:节点必须能与基站sink直接通信,不适合于大规模传感器网络。又提出了一种异构节点分布传感器网络设计方案。针对水下传感器网络的特征,设计了基于延迟时间的竞争机制,这个机制考虑到带宽容量受限,提供了一个中转节点选择方法。接着,提出了一个异构节点分布策略以均衡整个水下传感器网络的能耗。然后,分析了水下传感器网络中相邻圆环的初始能量之间的关系及成本约束,为选择节点初始能量时提供了参考,仿真验证了其有效性。5)引入了数据融合率的概念来说明传感器网络中节点的压缩能力。改变了传统的假设条件,提出了一个新的假设条件。传统的假设可视为新假设的两个特殊情况。从理论上给出了数据融合率、网络生命周期和基站接收的信息量之间的关系,通过仿真验证了理论的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 前言
• 1.1 无线传感器网络相关研究背景
• 1.1.1 无线传感器网络的网络框架及研究内容
• 1.1.2 无线传感器网络的特征及设计目标
• 1.1.3 水下传感器网络的独特性和研究内容
• 1.2 无线传感器网络生命周期延长算法的研究现状
• 1.2.1 陆地无线传感器网络生命周期延长算法的研究现状
• 1.2.2 水声传感器网络相关研究及应用前景
• 1.3 本文主要贡献
• 1.4 本文组织结构
• 1.5 本章小结
• 2 优化传输距离及能效路由算法
• 2.1 引言
• 2.2 陆地无线传感器网络的最优传输距离及能效路由算法
• opt'>2.2.1 能量模型与最优通信范围R_opt
• 2.2.2 基于次优距离的多跳路由算法（SDMR）
• 2.2.2.1 算法假设
• 2.2.2.2 算法基本思想
• 2.2.2.3 算法实现过程
• 2.2.3 基于次优距离的多跳路由算法的多跳性能分析
• 2.2.4 局部圆里中转节点的选择策略—优先权选择（PS）
• 2.2.5 仿真
• 2.2.6 结论
• 2.3 水下传感器网络的最优传输距离——针对不同网络生命周期定义提出最优传输距离
• 2.3.1 引言
• 2.3.2 网络模型和假设
• 2.3.3 能量模型
• 2.3.4 最优传输范围（OTR）
• 2.3.5 仿真
• 2.3.6 结论
• 3 基于概率的能量均衡算法
• 3.1 引言
• 3.2 相关工作
• 3.3 基于蜂窝的圆形网络模型
• 3.3.1 网络模型
• 3.3.2 混合传输方式
• 3.3.3 传输概率的分析
• 3.3.4 蜂窝边长的优化
• 3.3.5 性能评估
• 3.3.6 结论
• 3.4 基于环面的圆形区域模型
• 3.4.1 网络模型
• 3.4.2 基于概率的能量平衡算法
• 3.4.3 环面宽度的分析及其优化
• 3.4.4 数据传输算法
• 3.4.5 仿真
• 3.4.6 结论
• 3.5 本章小结
• 4 基于能量级别回传
• 4.1 引言
• 4.2 相关工作
• 4.3 网络模型及能耗模型
• 4.3.1 网络模型和假设
• 4.3.2 能耗模型
• 4.4 基于能量级别的混合传输机制
• 4.4.1 路由树建立算法（RTB）
• 4.4.2 能量级别回传算法
• 4.5 仿真
• 4.6 ELT与HTMA的对比仿真
• 4.7 结论
• 5 异构水下传感器网络
• 5.1 引言
• 5.2 相关工作
• 5.3 网络模型
• 5.4 基于延迟时间的竞争机制
• 5.5 异构节点分布策略
• 5.5.1 修正的DET（DET-A）
• 5.5.2 节点初始能量的关系
• 5.6 仿真
• 5.7 结论
• 6.无线传感器数据融合率假设
• 6.1 引言
• 6.2 传统协议分析
• 6.3 数据融合率
• 6.3.1 数据融合率定义
• r、p之间的关系'>6.3.2 网络生命周期（LT）、K_r、p之间的关系
• 6.3.3 仿真
• 6.4 结论
• 7 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者个人简历、论文发表情况及研究成果