本文關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗平衡策略研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《吉林大學(xué)》 2015年

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗平衡策略研究

張婧  

【摘要】：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)對物理世界的感知，如感知環(huán)境的溫度與濕度變化、交通控制等。物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠更好地服務(wù)和滿足人們的需求，同時它在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用也具有廣闊的應(yīng)用前景。無線傳感器技術(shù)的發(fā)展使人類的生活更加智能化，人類和物理世界可以實現(xiàn)互聯(lián)互通。 通常，若干數(shù)量的節(jié)點被隨機部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，這些節(jié)點自組織形成一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，且無基礎(chǔ)設(shè)施控制。一個基站位于監(jiān)測區(qū)域附近，用于收集節(jié)點的感知數(shù)據(jù)，以供用戶使用。該網(wǎng)絡(luò)具有Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的基本特性，如動態(tài)拓撲、自組成網(wǎng)等，同時無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為基礎(chǔ)技術(shù)還具有應(yīng)用相關(guān)性強的特點，隨著應(yīng)用的不同，網(wǎng)絡(luò)亦具有不同的性能。但組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點能量有限，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常規(guī)模很大，節(jié)點能源耗盡之后對其電池進行更換或充電非常困難。這使得在設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的各層協(xié)議時都需考慮能耗問題，如何最大限度地延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期是一直以來研究的熱點。 早期的研究者們致力于提高網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的能量利用率來延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期，但仍然無法最大限度的延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用多對一的數(shù)據(jù)傳輸模式，即所有傳感器節(jié)點需將感知數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點或基站。若傳感器節(jié)點與基站直接通信，則長距離通信使得遠離基站的節(jié)點能耗過快；若傳感器節(jié)點與基站借助多跳傳輸通信，則靠近基站的節(jié)點因承擔(dān)過多負載而能耗過快。這兩種情況都將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的能耗速率存在差異，即出現(xiàn)能耗不平衡的現(xiàn)象。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋需求。當(dāng)監(jiān)測區(qū)域無法被完全覆蓋時，，其感知數(shù)據(jù)的準確率就會下降。因此，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有節(jié)點過早死亡時，將會造成網(wǎng)絡(luò)無法連通，出現(xiàn)孤立區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)無法完全覆蓋監(jiān)測區(qū)域，此時認為網(wǎng)絡(luò)的生命周期終止。但網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點能耗的速率不一致，此時網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點仍然具有較多的殘余能量，因此如何使網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的能量損耗速率趨于一致，即實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能耗平衡，將能最大限度且有效地延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。 基于上述對實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能耗平衡必要性的分析，本文設(shè)計了平面路由策略、基于單跳傳輸?shù)姆蔷鶆蚍执夭呗浴⒒诙嗵鴤鬏數(shù)姆蔷鶆蚓W(wǎng)格簇劃分策略和非均勻自適應(yīng)分簇算法、實現(xiàn)能耗同步的傳輸策略，以均衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的能量消耗，達到延長網(wǎng)絡(luò)生命周期的目的。本文的主要貢獻如下： 1.在平面路由策略中，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的地位平等，節(jié)點既為數(shù)據(jù)感知者又可作為中繼節(jié)點協(xié)助其他節(jié)點完成數(shù)據(jù)傳輸。因此靠近基站的傳感器節(jié)點往往承擔(dān)過多轉(zhuǎn)發(fā)負載，這些節(jié)點因能耗過快而過早死亡。針對這一能耗不平衡現(xiàn)象，本文提出了一種實現(xiàn)能耗均衡的節(jié)點發(fā)射功率反饋控制機制，將網(wǎng)絡(luò)的能耗平衡問題表示為離散型多約束的非線性規(guī)劃問題，并利用相對差分法搜索最優(yōu)解，獲得網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的最優(yōu)傳輸半徑。通過實時獲取網(wǎng)絡(luò)的歷史信息即能量信息，對節(jié)點的發(fā)射半徑進行周期性地反饋調(diào)整，使得節(jié)點的傳輸功率隨著網(wǎng)絡(luò)運行而變化，考慮了網(wǎng)絡(luò)的時變特性，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點承擔(dān)數(shù)據(jù)量的重新分布，提升了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的能耗速率的一致性，有效地延長了網(wǎng)絡(luò)的生命時間。該算法不僅降低節(jié)點的能量消耗，同時通過負載重新分配均衡節(jié)點能耗。根據(jù)節(jié)點到基站的距離，一些剩余能量的高的節(jié)點的能量將會被開發(fā)而剩余能量低的節(jié)點的能量將會被保護。 2.在單跳傳輸分簇策略中，簇頭節(jié)點將融合后的數(shù)據(jù)直接傳輸至基站，而長距離傳輸將造成較大的能量消耗。在該通信模式下，遠離基站的簇頭節(jié)點因長距離通信而提前耗盡能量，從而造成網(wǎng)絡(luò)無法連通，監(jiān)測區(qū)域進而無法被完全覆蓋。本文通過對網(wǎng)絡(luò)中位于不同位置的簇的能耗進行分析，得到的結(jié)論為一旦網(wǎng)絡(luò)完成部署，則網(wǎng)絡(luò)中各簇的能耗與其簇半徑的大小相關(guān)�；谶@一分析結(jié)果本文提出了一種基于單跳傳輸?shù)姆蔷鶆蚍执胤绞剑催h離基站的簇相應(yīng)的具有較小的簇半徑，減少其管理的簇成員數(shù)量，可以節(jié)省能量用于長距離的通信；而離基站近的簇頭節(jié)點可增大其簇半徑，增加其管理的簇成員數(shù)，提高其能量利用率。這樣可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點能量的均勻下降。 3.在多跳傳輸?shù)姆执夭呗灾�，簇頭節(jié)點以協(xié)作的方式通過多跳傳輸完成與基站之間的通信。雖然提高了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點能量的利用率，但是不可避免地造成靠近基站的簇頭節(jié)點因承擔(dān)過多的負載而能耗過快。針對這一能耗不均衡問題，本文提出了一種非均勻網(wǎng)格簇劃分方法，即將網(wǎng)絡(luò)劃分為邊長不相等的網(wǎng)格，而基于網(wǎng)格的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)劃分有利于對網(wǎng)絡(luò)負載的分析更加準確。進一步根據(jù)對網(wǎng)絡(luò)中的負載和能耗分析可得出優(yōu)化的簇半徑�？拷镜木W(wǎng)格邊長要小于遠離基站的網(wǎng)絡(luò)邊長。同時簇頭的選舉采用推薦機制，簇頭節(jié)點將推薦本簇內(nèi)剩余能量多的節(jié)點為新的簇頭，有效地降低了簇頭選舉造成的能量消耗。 4.在基于多跳傳輸?shù)姆蔷鶆蚍执厮惴ㄖ�，簇半徑的大小通常是固定的，但是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為實時變化的網(wǎng)絡(luò)，固定的分簇方式將導(dǎo)致簇的邊緣節(jié)點能耗過快，依然存在能耗不均衡的現(xiàn)象。因此本文提出了能夠?qū)崿F(xiàn)簇半徑動態(tài)調(diào)整的非均勻分簇策略，根據(jù)節(jié)點與鄰居節(jié)點的平均能量比較，節(jié)點可自適應(yīng)地調(diào)整競爭半徑，即剩余能量多的節(jié)點可適當(dāng)增大競爭半徑，而剩余能量小的節(jié)點適當(dāng)減小競爭半徑以保護自己的能量。同時結(jié)合本文提出的簇頭推薦機制以及簇的二次劃分策略，有效地均衡了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的能耗。 5.為了實現(xiàn)能耗同步的傳輸策略，本文基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的同步理論，將節(jié)點之間的通信關(guān)系描述為耦合關(guān)系，進一步構(gòu)建了節(jié)點狀態(tài)方程，將節(jié)點的剩余能量和其與基站之間的距離轉(zhuǎn)化為節(jié)點間的耦合因子，用來描述節(jié)點間的傳輸代價。網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點制約網(wǎng)絡(luò)的生命周期，而介數(shù)能夠很好地描述節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的影響力。本文通過不斷降低網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的最大介數(shù)值，提高了網(wǎng)絡(luò)的同步能力，降低了關(guān)鍵節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)性能的影響，從而均衡數(shù)據(jù)量在網(wǎng)絡(luò)中的分布，獲得優(yōu)化的節(jié)點傳輸路徑，實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)的能耗均衡。 本文通過對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中不同結(jié)構(gòu)下節(jié)點能耗的分析，將能耗問題給出不同的描述形式，借助非線性規(guī)劃以及復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的同步概念等理論，規(guī)劃了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的發(fā)射功率、簇半徑大小以及數(shù)據(jù)量的分布，有效地實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點能耗的均衡下降，達到了延長網(wǎng)絡(luò)生命周期的目的。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN929.5;TP212.9
【目錄】：

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4 劉建強;蘭巨龍;鄔江興;;基于節(jié)點疏遠方法的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重要性評價[J];計算機工程與科學(xué);2011年03期

5 譚運寶;鐘誠;玉易;劉磊;;鏈路守衛(wèi)節(jié)點合作監(jiān)測檢測惡意合謀攻擊[J];微電子學(xué)與計算機;2011年09期

6 田樂;謝東亮;韓冰;張雷;程時端;;無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中瓶頸節(jié)點的研究[J];軟件學(xué)報;2006年04期

7 鄧亞平;吳川平;;基于移動節(jié)點的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的瓶頸節(jié)點[J];計算機應(yīng)用;2011年07期

8 李磊;李鳳榮;黃河清;;無線傳感器網(wǎng)絡(luò)局部瓶頸節(jié)點的分布式檢測算法[J];西南交通大學(xué)學(xué)報;2011年03期

9 許曉榮;章堅武;黃愛蘋;;基于多節(jié)點協(xié)作的認知WSN能耗優(yōu)化算法[J];杭州電子科技大學(xué)學(xué)報;2011年04期

10 賈杰;陳劍;常桂然;趙林亮;;無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中最優(yōu)覆蓋節(jié)點集的求解算法[J];東北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2007年11期

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 許曉榮;章堅武;黃愛蘋;;基于多節(jié)點協(xié)作的認知WSN能耗優(yōu)化算法[A];浙江省信號處理學(xué)會2011學(xué)術(shù)年會論文集[C];2011年

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 劉克中;無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式節(jié)點定位方法研究[D];華中科技大學(xué);2006年

2 廖卓凡;無線網(wǎng)絡(luò)中保證覆蓋連通的節(jié)點部署問題研究[D];中南大學(xué);2012年

3 郭麗芳;MANET的拓撲動態(tài)性研究[D];北京郵電大學(xué);2011年

4 劉佳琦;移動P2P覆蓋網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)及節(jié)點合作保障機制研究[D];中南大學(xué);2012年

5 王珵珺;基于節(jié)點運動區(qū)域特征的DTN擁塞控制路由算法研究[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2013年

6 王斌;IEEE 802.16 Mesh網(wǎng)絡(luò)調(diào)度機制研究[D];天津大學(xué);2014年

7 朱天;社會網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點角色以及群體演化研究[D];北京郵電大學(xué);2011年

8 程勝;移動Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中虛擬骨干網(wǎng)技術(shù)的研究[D];北京郵電大學(xué);2003年

9 徐涵;長帶區(qū)域無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋與定位研究[D];華中科技大學(xué);2012年

10 曲俊媚;分布式網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)的構(gòu)建與性能改進[D];天津大學(xué);2010年

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 王松華;基于異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點識別研究[D];西南大學(xué);2014年

2 邵長城;復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)可控性分析與驅(qū)動節(jié)點集拓撲性質(zhì)研究[D];東北大學(xué);2012年

3 劉堯;復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵節(jié)點發(fā)現(xiàn)技術(shù)研究[D];解放軍信息工程大學(xué);2009年

4 魏萍萍;WSN中采用異常節(jié)點排除的節(jié)點定位算法研究[D];東北大學(xué);2011年

5 楊敬宗;在線社會網(wǎng)絡(luò)影響力節(jié)點發(fā)現(xiàn)方法研究[D];太原理工大學(xué);2014年

6 詹婧;無線傳感器/執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點實時覆蓋和調(diào)度算法的研究[D];武漢理工大學(xué);2013年

7 陳一帆;社交網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點影響力的評價與優(yōu)化機制研究[D];中南大學(xué);2014年

8 王琳;MANET中關(guān)鍵節(jié)點補償算法研究[D];西安電子科技大學(xué);2007年

9 楊汀依;復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵節(jié)點識別技術(shù)研究[D];南京理工大學(xué);2011年

10 張熒;改進蟻群算法在車載自組網(wǎng)節(jié)點部署中的應(yīng)用[D];蘭州大學(xué);2014年

  本文關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗平衡策略研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：206807