无线传感器网络节点配置策略的能效及生存期研究

论文摘要

传感器技术、微机电系统、网络和无线通信技术的发展与融合,催生了集信息获取、处理和传输为一体的无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,无线传感器网络)技术的发展。作为新兴技术,无线传感器网络具有十分广阔的应用领域,包括军事、环境监测、目标追踪、科学观察和预报等领域。它的广泛应用将会从根本上改变我们感知客观世界的能力。通过一定的部署算法或配置策略达到合理的节点配置,是实现无线传感器网络资源优化和网络效率最大化的基本途径,它在很大程度上也决定了网络的感测效果和服务质量。一方面,由于受传感器节点能量有限的制约,在节点配置策略的构建时,必需在能效性方面给予较多的考虑。另一方面,节点配置策略对网络能量的分布、感测信息的分布和通信代价的分布将有直接的影响,而它们在很大程度上又决定了网络生存期的大小。基于此,本文围绕节点配置在能效和生存期方面展开了研究。本文以无线传感器网络节点配置的能效性为切入点,针对线型静态模型,我们首次从数据位的能量角度出发,考虑启动能量和编码能量等多种能耗的情况下,对等间距节点配置下采用多跳和单跳时系统能耗进行了分析和比较。找出了等间距配置下的最优单跳间距,提出了优化的多跳配置模型,并通过仿真说明其有效性。针对二维静态网络模型节点配置研究,我们提出了多级电量配置策略。策略的构建是在同质节点配置的次优理论基础之上提出的,并以均衡网络负载,达到延长网络生存期为最终目标的。模型的构建侧重于应用,我们对不同的应用情景,采用离散法提出了相应的多级电量配置方案,考虑电池级别有限这一现实,又进一步分析,提出了渐进法多级电量配置算法。最后的仿真中,我们强调了配置策略中关键因素对网络生存期的影响。本文对无线传感器网络的节点配置问题的研究方法是一个对建立的目标价值函数的可变参数集进行优化,从中求得最优值的过程。全文从节点的配置策略入手,紧紧围绕能量的有效配置和生存期最大化这两个最主要目标,并结合实用性这一核心问题展开了工作。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 选题意义
• 1.3 主要贡献
• 1.4 内容框架
• 第二章 无线传感器网络节点配置相关的知识背景及研究
• 2.1 无线传感器网络概述
• 2.1.1 无线传感器网络的概念
• 2.1.2 无线传感器网络体系结构
• 2.1.3 无线传感器网络应用面临的挑战
• 2.1.4 无线传感器网络的性能评价
• 2.2 无线传感器网络节点配置研究
• 2.2.1 节点配置的基本概念
• 2.2.2 节点配置的研究范畴
• 2.3 无线传感器网络节点配置相关技术
• 2.3.1 传输模式
• 2.3.2 拓扑结构
• 2.3.3 通讯模式
• 2.4 无线传感器网络节点能耗
• 2.4.1 节点各模块能耗分析及比较
• 2.4.2 节点功耗模型
• 2.5 无线传感器网络生存期的相关论述
• 2.5.1 生存期问题的含义
• 2.5.2 生存期的度量
• 2.5.3 生存期优化相关模型
• 2.6 本章小结
• 第三章 基于节点线型静态配置算法的能效研究
• 3.1 相关研究
• 3.2 线型模型
• 3.3 基于位的通讯能耗模型扩展
• 3.4 基于位的能耗分析
• 3.4.1 单位有效位的能耗
• 3.4.2 基于BCH编码的解码能耗
• 3.4.3 系统能耗
• 3.4.4 最优单跳距离
• 3.4.5 仿真结果
• 3.5 节点优化排列时的多跳能耗
• 3.5.1 多跳优化间距
• 3.5.2 优化配置下的系统能耗
• 3.5.3 仿真结果
• 3.6 本章小结
• 第四章 节点配置策略模型构建与分析
• 4.1 问题的引出
• 4.2 模型假设
• 4.2.1 基本假设及可行性分析
• 4.2.2 符号定义
• 4.2.3 基本要素
• 4.3 生存期描述
• 4.4 同质节点配置分析
• 4.4.1 同质节点配置的次优理论
• 4.4.2 基于同质节点均匀配置的分析
• 4.5 多级电量配置
• 4.5.1 离散法多级电量配置
• 4.5.2 渐进法多级电量配置
• 4.6 仿真结果
• 4.7 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 全文小结
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录
• 学位论文评阅及答辩情况表