无线传感器网络能耗优化问题的研究

论文摘要

无线传感器网络(WSN, Wireless Sensor Network)是一种集传感器、集成电路、无线通信和微机电系统等多项技术于一体的无线自组织(Ad hoc)网络。无线传感器网络作为一种全新的信息获取与处理技术,与其他无线网络相比,具有精度高、灵活性强、可靠性强、经济性好等优势,因此适用于在环境恶劣、无人看管、人类难以到达或网络难以维护的环境中完成监测任务。在针对深海采油监测的应用中,无线传感器网络有很多优势,但是节点计算和存储能力是限制无线传感器网络性能的一个重要因素。如何在无人干涉的情况下,以最少的能耗高质量的完成监测任务,尽量延长网络的有效工作时间是当前无线传感器网络领域一个重要的课题。为解决无线传感器网络中能量消耗问题,本文提出在节点层而和网络层面对网络的能耗进行优化,并提出相应的改进算法,这也是本文的主要工作与创新之处。在节点层面,本文用生成概要数据的方式对传感器节点采集到的数据进行处理,提出一种基于滑动窗口的动态加权抽样算法(DWRS),由数据项的抖动因子和特征值动态计算权值,在保证重点监测数据不丢失的前提下,降低数据冗余度,减少节点间的传输的数据量,减少因数据通信造成的能量消耗,以达到延长网络生命周期的目的。在网络层面,本文在研究LEACH协议的思想方法的基础上,综合考虑节点的能量、地理位置、当选簇头节点次数等因素,从负载均衡的角度出发,提出了一种基于LEACH的多簇头负载均衡路由协议(MCHRP)。在该协议中,提出策略函数的概念,通过策略函数更加科学的选择簇头节点,并通过多簇头(主簇头、副簇头和备选簇头)机制使得网络中能量消耗更加均衡,从而实现延长网络生命周期的目的。仿真实验结果表明,DWRS算法在节点层面有效减少数据传输量,节省了大量能量消耗,MCHRP算法在网络层面使得全网的能量消耗更加均衡。这两种算法在不同角度对网络中的能量消耗进行优化,从而共同达到了延长网络生命周期,提高网络性能的目的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景与现状
• 1.2 研究的目的和意义
• 1.3 本文主要工作与创新
• 1.4 本文的组织结构
• 2 无线传感器网络
• 2.1 无线传感器网络的概念与特征
• 2.2 无线传感器网络的应用领域
• 2.3 无线传感器网络的关键技术
• 2.4 无线传感器网络的能耗优化问题
• 3 无线传感器网络数据处理算法的改进
• 3.1 数据流与概要数据生成技术
• 3.1.1 数据流概念
• 3.1.2 数据流模型
• 3.1.3 概要数据生成技术的现状研究
• 3.2 加权抽样算法相关工作
• 3.3 基于时间滑动窗口的数据流动态加权抽样算法
• 3.3.1 相关定义
• 3.3.2 DWRS算法描述
• 3.4 仿真实验与结果分析
• 4 无线传感器网络路由协议的改进
• 4.1 无线传感器网络路由协议概述
• 4.1.1 无线传感器网络路由协议的特点
• 4.1.2 无线传感器网络路由协议的设计要求
• 4.1.3 无线传感器网络路由协议的种类与研究现状
• 4.2 LEACH路由协议的研究及其改进
• 4.2.1 网络模型与通信能量模型
• 4.2.2 LEACH算法的描述
• 4.2.3 基于LEACH改进路由协议的研究
• 4.3 一种基于LEACH的负载均衡多簇头路由协议
• 4.3.1 算法改进之处
• 4.3.2 算法的网络模型
• 4.3.3 相关定义
• 4.3.4 MCHRP算法核心思想
• 4.3.5 算法能耗与复杂度分析
• 4.4 MCHRP协议仿真实验与结果分析
• 4.4.1 OMNeT++简介
• 4.4.2 OMNeT++组成
• 4.4.3 网络仿真模型
• 4.4.4 仿真实验流程
• 4.4.5 仿真实验结果分析
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢