基于元胞自动机的无线传感器网络能量均衡控制研究

论文摘要

近年来,随着物联网(The Internet of Things)的概念提出和研究,无线传感器(WSN)再次成为新的研究热点。无线传感器网络涉及到多学科,包括传感器技术、无线通信技术、网络技术和微机电系统技术,都推动了无线传感器网络的发展;由于传感器节点大多都工作在无人值守的恶劣环境中,能量问题一直是无线传感器网络迫在眉睫的研究课题。无线传感器网络的节点的能量受限,单个节点的能量耗尽不仅引起了网络局部的“空洞”现象,甚至会影响整个网络的寿命。因此,在节点能量受限的条件下,研究无线传感器网络的能量演化规律,并研究适合于延长网络寿命的方法具有重要的意义。本文详细分析了无线传感器网络节点的能量消耗情况,节点能量消耗分为四种状态:接受数据状态、发送数据状态、空闲状态和休眠状态。结合元胞自动机模型理论,提出了基于元胞自动机的无线传感器网络能量均衡控制方法,并结合经典的按需路由协议AODV在能量均衡方面的不足做了相应的改进。深入剖析国内外公认的网络仿真平台NS2(Network Simulator 2)的层次结构、工作原理和模块调度关系等,在此平台上添加了本文的元胞自动机模型,并验证了该模型在NS2下的合理性。鉴于元胞自动机的参数获取困难的不足,提出了基于模糊元胞自动机的无线传感器网络能量均衡控制方法,对节点的能量值建立模糊规则。NS2仿真结果表明,更能有效的提高网络效率和延长网络的寿命。最后,分析了在加入传统元胞自动机及模糊元胞自动机模型情况下,丢包率、时延和吞吐量的变化,并引入洛伦兹曲线来平均能量均衡度。由于输入模糊量的影响,我们分别对节点部署在长方形构型和正方形构型进行了能量研究,仿真结果发现,长方形的能量均衡度要高于正方形的均衡度。NS2仿真结果表明提出的元胞自动机模型对能量均衡控制都有较好的效果,并且网络性能没有受到模型的影响,与AODV的基本一致。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 课题的国内外研究现状与不足
• 1.3 研究内容和目标及拟解决的关键问题
• 1.3.1 研究内容和目标
• 1.3.2 拟解决的关键问题和解决方法
• 1.4 拟采取的研究方法、技术路线及创新性
• 1.4.1 拟采取的研究方法
• 1.4.2 拟采取的技术路线
• 1.4.3 创新点
• 2 元胞自动机与NS2 网络仿真平台
• 2.1 引言
• 2.2 元胞自动机
• 2.3 NS2 网络仿真平台及原理
• 2.4 NS2 能量消耗模型
• 2.5 NS2 随机数产生模型
• 3 基于元胞自动机的无线传感器网络能量控制研究
• 3.1 引言
• 3.2 无线传感器网络能量的元胞自动机建模
• 3.3 模型平台搭建与分析
• 3.3.1 能量均衡性能分析
• 3.3.2 网络性能分析
• 3.4 结论
• 4 基于FCA 的无线传感器网络能量均衡控制研究
• 4.1 引言
• 4.2 模糊元胞自动机（FCA）
• 4.3 基于FCA 的无线传感器网络的能量均衡控制方法
• 4.3.1 模糊逻辑系统的描述
• 4.3.2 基于FCA 的能量均衡控制模型
• 4.4 仿真分析
• 4.5 总结
• 5 结论
• 5.1 本文研究的主要工作
• 5.2 有待进一步研究的工作
• 附录1
• 致谢
• 参考文献
• 作者在读期间的研究成果