无线传感器网络节点调度方法研究

论文摘要

处理器的运算速度突飞猛进,使数据处理能力迅速提高;存储器的容量快速增长,使海量存储得以实现;网络带宽一再提升,使数据传输已变得随处可达。但是人们却发现,与这些技术的发展不协调的是数据的采集手段已大大落后了。于是,融合了微机电技术、网络通信技术和信息处理技术的无线传感器网络应运而生。无线传感器网络利用大量布署在目标区域内的微传感器来浸入式的采集各种对象的物理属性,然后通过无线通信方式将收集并处理后的信息传送给用户。无线传感器网络在感知精度、布署方式、投入成本等方面的独特优势,使得它在军事和民用领域具有广泛的应用前景。感知质量和网络寿命是评价无线传感器网络设计的重要性能指标,而能耗是以电池为主要能源的无线传感器网络需要考虑的关键问题。一方面,微传感器节点使用的电池容量有限;另一方面,无线传感器网络应用中的节点数量巨大并且一般都布署在遥远的、无法看管的恶劣环境中,给节点补充电源存在相当大的难度,基本不具有可行性。因此,如何提高能量消耗的效率,以满足无线传感器网络应用的感知质量和网络寿命这两方面的性能要求,成为无线传感器网络设计的重点。不同于网络协议层节能技术,节点调度是一种基于应用需求来优化无线传感器网络能耗效率的有效方法。通过在空间上和时间上对微传感器节点状态的转换控制,节点调度方法可以减少无线传感器网络数据流的来源和数量,从数据感知和无线通信两个方面减少电量的消耗,提高网络的能耗效率。其合理性在于:首先,无线传感器网络的数据冗余度高,部分节点采集的数据与全部节点采集的数据质量相差不大。其次,激活过多节点会带来大量的无线通信甚至导致网络拥塞,增大电量消耗,并且因为数据丢失或传输延迟而降低感知质量。面向应用是无线传感器网络的特点;节点调度方法的设计必须以应用需求为目标,以应用特点为基础。本文在充分分析无线传感器网络节点调度方法的设计假设与设计目标的基础上,针对事件检测和环境监测这两类主要的无线传感器网络应用,基于它们不同的应用特点与性能需求,重点研究与之相适应的节点调度机制与算法,在保证无线传感器网络感知质量需求的同时,有效的减少能量的消耗,延长网络寿命。文章的主要创新点包括:1.建立了节点调度的设计模型,对节点调度方法的设计假设和设计目标进行了归纳和总结,据此对目前已有的各种节点调度方法的相同点和不同点进行了分析和比较,为节点调度方法的设计提供了指导和思路。2.针对无线传感器网络的事件检测类应用的特点,以降低电量消耗和缩短事件发现延迟为目标,基于局部覆盖策略提出了一种有效的基于栅格化结构的感知调度方法。作为一种基于本地位置信息的分簇方法,栅格划分的设计方法具有通信开销小、可扩展性好的特点,在确保无线传感器网络的通信连通性的前提下,实现了节点的均匀分簇和感知任务负载以及能量消耗在整个无线传感器网络中的均衡分布。通过模拟实验,证明了该栅格调度方法在事件检测质量上优于常用的随机调度方法。3.针对无线传感器网络的环境监测类应用的特点,以降低电量消耗和保证数据精度为目标,基于无线传感器网络感知数据的空间相关性特点,提出了一种以动态感知数据信息和静态节点位置信息为设计依据的TIN调度方法,通过减少向基站汇报感知数据的节点数量来减少需要传输的数据量,从而降低了无线传感器网络的电量消耗,并且能够动态的适应感知数据的变化,保证了生成的环境数据场的精度。模拟结果显示,对于相同的数据精度要求,TIN调度方法比传统方法在通信总量上可以得到明显的节省,并且具有良好的可扩展性。4.针对无线传感器网络的环境监测类应用的特点,提出了一种支持对物理环境进行多分辨率感知的调度模型,设计了分布式的环境感知数据描述方法和基于栅格的层次式感知框架,还进一步提出了一种具有可适应性的多分辨率感知模型,能够实现在不同区域的混合分辨率感知。模拟实验表明,在无线传感器网络的感知模型中引入对多分辨率的支持可以在保证感知精度的同时提高能耗的效率。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 无线传感器网络
• 1.1.1 基本概念
• 1.1.2 典型应用
• 1.1.3 系统特点
• 1.2 研究背景
• 1.2.1 体系结构
• 1.2.2 性能指标
• 1.2.3 研究实质
• 1.2.4 研究现状
• 1.3 能耗问题
• 1.3.1 能耗分析
• 1.3.2 能耗管理
• 1.3.3 节点调度
• 1.4 本文工作与创新点
• 1.5 论文结构
• 第二章 节点调度设计模型
• 2.1 设计假设
• 2.1.1 节点功能
• 2.1.2 布署方式
• 2.1.3 应用模式
• 2.2 设计目标
• 2.3 相关研究
• 2.3.1 节点调度方法举例
• 2.3.2 节点调度方法比较
• 2.3.3 存在的问题
• 2.4 小结
• 第三章 栅格调度方法
• 3.1 事件检测应用
• 3.1.1 应用特点
• 3.1.2 覆盖策略
• 3.2 问题描述
• 3.2.1 假设条件
• 3.2.2 性能评价
• 3.3 方法设计
• 3.3.1 栅格划分
• 3.3.2 检测阶段
• 3.3.3 选举算法
• 3.4 性能分析
• 3.4.1 发现延迟
• 3.4.2 能量消耗
• 3.5 模拟实验
• 3.5.1 模拟平台
• 3.5.2 实验设计及结果
• 3.6 小结
• 第四章 TIN调度方法
• 4.1 环境监测应用
• 4.1.1 应用特点
• 4.1.2 数据驱动的调度方法
• 4.2 问题描述
• 4.2.1 应用模型
• 4.2.2 问题定义
• 4.2.3 不规则三角网（TIN）
• 4.3 方法概述
• 4.3.1 假设条件
• 4.3.2 过程描述
• 4.3.3 三角剖分
• 4.4 调度算法
• 4.4.1 算法描述
• 4.4.2 中继规则
• 4.4.3 缄默规则
• 4.5 性能分析
• 4.5.1 能量消耗
• 4.5.2 模拟实验
• 4.6 小结
• 第五章 多分辨率调度模型
• 5.1 基本思想
• 5.2 相关研究
• 5.2.1 多分辨率建模
• 5.2.2 感知数据描述
• 5.2.3 采样策略
• 5.3 多分辨率调度模型
• 5.3.1 假设条件
• 5.3.2 感知数据描述
• 5.3.3 层次式感知栅格
• 5.3.4 适应性的多分辨率模型
• 5.4 性能分析
• 5.4.1 精度度量和能耗分析
• 5.4.2 模拟实验
• 5.5 小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果