无线传感器网络中数据汇聚节点移动问题研究

论文摘要

随着无线技术与微电子技术的进步,无线传感器网络日趋成熟。作为新一代的无线网络,它有效地满足了日益复杂的应用场景中对数据及时采集的需求。已经有无线传感器网络作为一种商业产品得到了具体的应用,如美国麻省理工学院的室内定位系统、弗吉尼亚大学的野外车辆跟踪系统和微软的Sensorweb系统等等。与硬件成熟相比,传感器网络的软件体系仍在高速发展中。由于硬件设计以及应用场景的需求,传感器网络相对于其他无线网络(Ad Hoc、Mesh等)有着它自己标志性的不同点,如节能、带宽方面的需求等。如何对这些软件层面上的问题给予很好的理论与实际解决方案,一直以来都为研究的热点。前人文献针对能量受限的传感器节点的描述大部分是,如何利用它们的冗余性来提高网络的效率、延伸网络的生命周期。然而,仅仅由能量与传输能力受限的同构传感器节点组成的网络,在实际应用中有着极大的局限性。因为一般而言,传感器网络的目的为采集与向外界传输数据,如何完成从无线到有线这最后一步,显得十分重要。在传感器网络中,这种角色节点被称为数据汇聚节点。相对于传感器节点来说,汇聚节点的电池能量、通讯能力、移动能力都较高。自然的,将研究的对象从普通节点转换为汇聚节点就显得非常自然。本文通过对传感器网络模型的分析,引入汇聚节点优化概念,将数学上的多种优化模型引入传感器网络的资源调度问题中。通过彻底地研究前人关于此方面的文献,提出了不同的优化策略来针对不同类型的汇聚节点。本文的主要工作和贡献如下:1)研究和分析了传感器网络的结构、特点、关键技术、发展历史。2)对传感器网络中的汇聚节点相关问题做了详细的综述。根据对汇聚节点移动性假定分为两个大类:汇聚节点在放置以后静止,也即汇聚节点放置问题;以及汇聚问题在整个网络的运行过程中保持运动能力,也即汇聚节点移动问题。分别对设计这二大类问题的前人文献做出了详细的研究与分析,并指出优点与缺陷。3)求解汇聚节点的最优放置问题。主要难点在于放置问题与路由问题需要进行联合优化才能取得最优生命周期。针对这样的难点,本文提出了离散化连续搜索空间这样的方法,并且给予了理论上的证明。基于此算法,提出了基于网格的优化模型,并从理论与试验两个方面论证其有效性。4)求解汇聚节点的最优移动问题。研究了如何在不同的候选位置放置汇聚节点来最大化网络生命周期,并对这个问题建立了一个线性优化模型。试验结果表明,使用具有移动能力的汇聚节点对网络生命周期有巨大影响,从而证实了前人研究的结论。说明了即使使用一个移动位置受限的汇聚节点,也会极大地提升网络生命周期,标志着对使用移动汇聚节点提升网络生命周期这一问题上的研究潜力与空间都是广阔的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 无线传感器网络体系结构
• 1.1.1 无线传感器网络的基本结构
• 1.1.2 无线传感器网络节点结构
• 1.1.3 无线传感器网络的协议栈
• 1.2 无线传感器网络的特点
• 1.3 无线传感器网络的应用领域
• 1.4 无线传感器网络的关键技术
• 1.5 无线传感器网络的发展历史
• 1.6 研究现状
• 1.7 论文结构
• 第2章 传感器网络中的汇聚节点放置问题
• 2.1 汇聚节点相关问题综述
• 2.2 汇聚节点放置问题综述
• 2.3 汇聚节点的移动问题
• 2.4 本章小节
• 第3章 无线传感器网络中一种汇聚节点放置策略
• 3.1 引言
• 3.2 系统描述与问题建模
• 3.2.1 系统描述
• 3.2.2 给定放置位置的问题建模
• 3.2.3 连续空间离散化
• 3.3 基于网格的优化搜索算法
• 3.3.1 算法综述
• 3.3.2 算法展示
• 3.3.3 算法分析
• 3.4 仿真实验
• 3.5 结论
• 第4章 无线传感器网络中一种汇聚节点移动方案
• 4.1 引言
• 4.2 相关工作
• 4.3 系统描述和问题建模
• 4.3.1 系统描述
• 4.3.2 放置模式
• 4.3.3 汇聚节点的放置问题建模
• 4.4 模拟实验
• 4.5 结论
• 第5章 总结
• 5.1 研究工作总结
• 5.2 进一步工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文