本文關(guān)鍵詞：基于成本最小的無(wú)線(xiàn)感知器網(wǎng)絡(luò)部署方法研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：伴隨著無(wú)線(xiàn)通信和微電子技術(shù)的發(fā)展,無(wú)線(xiàn)感知器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Setworks)越來(lái)越受到研究人員以及眾多行業(yè)的重視,并已經(jīng)用于很多實(shí)際應(yīng)用中。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是無(wú)線(xiàn)感知器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的重要領(lǐng)域。為了發(fā)展“精細(xì)農(nóng)業(yè)”,必須要獲取準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的相關(guān)農(nóng)業(yè)信息,包括天氣、土壤、農(nóng)作物等,無(wú)線(xiàn)感知器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以經(jīng)成為獲取這些信息的重要工具,被應(yīng)用于作物施肥、土壤監(jiān)測(cè)、病蟲(chóng)害防控、節(jié)水灌溉等眾多方面。農(nóng)業(yè)信息的多樣性和時(shí)空相關(guān)性增加了信息獲取的難度,對(duì)無(wú)線(xiàn)感知器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和部署提出了更高要求。節(jié)點(diǎn)部署是無(wú)線(xiàn)感知器網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)工作,它關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)劣,如何部署網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)也成為研究熱點(diǎn)之一。不同的實(shí)際應(yīng)用對(duì)于無(wú)線(xiàn)感知器網(wǎng)絡(luò)的性能需求不同,衡量網(wǎng)絡(luò)性能的指標(biāo)主要包括網(wǎng)絡(luò)覆蓋性、連通性、時(shí)間延遲、網(wǎng)絡(luò)壽命、能量效率、網(wǎng)絡(luò)成本等。其中網(wǎng)絡(luò)成本是任何應(yīng)用下進(jìn)行無(wú)線(xiàn)感知器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和部署過(guò)程中必須考慮的因素,尤其對(duì)于規(guī)模較大的農(nóng)田監(jiān)測(cè)應(yīng)用,采用基于成本最小的部署方法可以為用戶(hù)節(jié)省資源、降低成本、提高收益。針對(duì)網(wǎng)絡(luò)成本的研究能夠深入了解影響成本的各種因素以及相互關(guān)系,為建立優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提供指導(dǎo),對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的部署和網(wǎng)絡(luò)的有效運(yùn)行有著重要的理論研究意義。本文研究基于成本最小化的無(wú)線(xiàn)感知器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)部署方法,論文的主要研究?jī)?nèi)容和成果如下:1、為了能夠綜合地衡量網(wǎng)絡(luò)成本,給出了新的指標(biāo):單位面積成本(當(dāng)網(wǎng)絡(luò)壽命作為設(shè)計(jì)要求時(shí))或單位面積和壽命的成本。這一指標(biāo)綜合體現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)、能量效率、壽命等多項(xiàng)內(nèi)容,本文中的模型都是以最小化此指標(biāo)為目的。2、針對(duì)單層無(wú)線(xiàn)感知器網(wǎng)絡(luò),在感知器節(jié)點(diǎn)傳輸距離確定的情況下,提出了以成本最小為目標(biāo)的規(guī)劃模型,以及相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)部署方法。減少網(wǎng)絡(luò)成本包含多個(gè)方面,提高能量使用效率、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間是節(jié)省網(wǎng)絡(luò)成本的一種方式。提出的部署方法將網(wǎng)絡(luò)壽命作為設(shè)計(jì)需求,并從不同的方面采取多種措施來(lái)減少成本:采用正六邊形單元結(jié)構(gòu)可以在保證覆蓋性和連通性的前提下使用最少的感知器節(jié)點(diǎn);通過(guò)為節(jié)點(diǎn)裝配不同的初始能量來(lái)減少能量浪費(fèi);在仔細(xì)分析節(jié)點(diǎn)能量消耗和網(wǎng)絡(luò)總成本的基礎(chǔ)上,給出多約束下的規(guī)劃模型,目標(biāo)是最小化單位面積成本,通過(guò)求解模型確定最優(yōu)環(huán)數(shù);為了保證感知節(jié)點(diǎn)間的能量消耗平衡,提出了一種負(fù)載平衡的數(shù)據(jù)路由算法。針對(duì)大面積的監(jiān)測(cè)應(yīng)用,給出了多sink網(wǎng)絡(luò)部署方法。通過(guò)數(shù)值模擬和分析,最優(yōu)環(huán)數(shù)、不同的初始能量以及數(shù)據(jù)整合等措施明顯地減少了網(wǎng)絡(luò)成本;通過(guò)對(duì)單sink和多sink網(wǎng)絡(luò)的模擬比較,顯示出所提出的多sink部署方法最多可以減少近70%的網(wǎng)絡(luò)成本,大大減低了成本。3、針對(duì)兩層無(wú)線(xiàn)感知器網(wǎng)絡(luò),提出了最小化網(wǎng)絡(luò)成本的規(guī)劃模型,并給出了相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署方法。網(wǎng)絡(luò)具有三類(lèi)節(jié)點(diǎn),邏輯上分為兩層,本部分研究第一層節(jié)點(diǎn)的部署。在感知器節(jié)點(diǎn)傳輸距離確定的前提下,研究了節(jié)點(diǎn)的能量消耗和網(wǎng)絡(luò)成本,給出了以單位面積成本最小化為目標(biāo)的多約束規(guī)劃模型,通過(guò)求解可以確定簇的最優(yōu)環(huán)數(shù)。相應(yīng)的部署策略同樣采用了正六邊形單元結(jié)構(gòu)、不同的初始能量等多種措施保證成本最小,通過(guò)數(shù)字模擬分析了各因素對(duì)成本的影響;通過(guò)模擬比較了3種不同部署方法對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)成本,本文方法對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)成本分別占第二個(gè)網(wǎng)絡(luò)成本的約58%,第三個(gè)網(wǎng)絡(luò)的約54%,成本減少顯著。4、為了使優(yōu)化模型具有較廣泛的適用性,對(duì)上述模型中裝配初始能量的假設(shè)進(jìn)行改進(jìn),研究了三種更現(xiàn)實(shí)的情景:節(jié)點(diǎn)初始能量給定;感知器節(jié)點(diǎn)初始能量相同;多級(jí)電池包,建立了相應(yīng)的規(guī)劃模型,并給出了求解方法和數(shù)值模擬。5、針對(duì)傳輸距離可變的感知器,提出了確定傳輸距離的優(yōu)化模型,給出了最小化網(wǎng)絡(luò)成本的隨機(jī)部署步驟。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是一種“環(huán)+簇”結(jié)構(gòu),同環(huán)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)組成多個(gè)簇,不同環(huán)內(nèi)的簇大小不同,且不同環(huán)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)可以裝配不同的初始能量。在分析節(jié)點(diǎn)能量消耗和網(wǎng)絡(luò)成本的基礎(chǔ)上,給出了最小化成本的規(guī)劃模型,通過(guò)求解確定節(jié)點(diǎn)的傳輸距離。通過(guò)數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的傳輸距離從外環(huán)到內(nèi)環(huán)逐漸增加,為了保證同環(huán)節(jié)點(diǎn)的能量消耗平衡,修正了簇頭節(jié)點(diǎn)的傳輸距離,改進(jìn)了模型,最后給出了相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)部署步驟。
【關(guān)鍵詞】：無(wú)線(xiàn)感知器網(wǎng)絡(luò) 單位面積成本 節(jié)點(diǎn)部署 優(yōu)化模型
【學(xué)位授予單位】：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TP212.9;TN929.5
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstraction6-12
• 第1章 緒論12-26
• 1.1 無(wú)線(xiàn)感知器網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介12-20
• 1.1.1 無(wú)線(xiàn)感知器網(wǎng)絡(luò)的概念12-13
• 1.1.2 無(wú)線(xiàn)感知器網(wǎng)絡(luò)特征13-14
• 1.1.3 無(wú)線(xiàn)感知器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展14-16
• 1.1.4 無(wú)線(xiàn)感知器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用16-18
• 1.1.5 無(wú)線(xiàn)感知器網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢(shì)18-20
• 1.2 無(wú)線(xiàn)感知器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用20-23
• 1.3 論文的研究?jī)?nèi)容23-25
• 1.4 論文的組織結(jié)構(gòu)25-26
• 第2章 無(wú)線(xiàn)感知器網(wǎng)絡(luò)部署策略26-51
• 2.1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署概念26-27
• 2.2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署方法的分類(lèi)27-33
• 2.2.1 確定性部署29-30
• 2.2.2 隨機(jī)部署：30-31
• 2.2.3 中心式部署方法31-32
• 2.2.4 分布式部署32-33
• 2.3 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)33-41
• 2.3.1 網(wǎng)絡(luò)覆蓋性33-36
• 2.3.2 網(wǎng)絡(luò)連通性36-38
• 2.3.3 時(shí)間延遲38
• 2.3.4 網(wǎng)絡(luò)壽命38-39
• 2.3.5 能量效率39-40
• 2.3.6 網(wǎng)絡(luò)成本40-41
• 2.4 幾種部署方法簡(jiǎn)介41-49
• 2.4.1 非均勻部署41-43
• 2.4.2 層次部署方法43-45
• 2.4.3 具有移動(dòng)能力的節(jié)點(diǎn)部署45-46
• 2.4.4 變傳輸距離的節(jié)點(diǎn)部署46-48
• 2.4.5 初始能量不同的節(jié)點(diǎn)部署48-49
• 2.5 本章小結(jié)49-51
• 第3章 基于成本最小的單層無(wú)線(xiàn)感知器網(wǎng)絡(luò)部署方法51-74
• 3.1 引言51-52
• 3.2 預(yù)備知識(shí)52-54
• 3.2.1 感知器節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)52-53
• 3.2.2 能量模型53
• 3.2.3 成本模型53-54
• 3.3 能量消耗和成本分析54-60
• 3.3.1 正六邊形單元結(jié)構(gòu)54-55
• 3.3.2 節(jié)點(diǎn)能量消耗分析55-57
• 3.3.3 成本分析57-59
• 3.3.4 最小化CPUA的規(guī)劃模型59-60
• 3.4 多sink網(wǎng)絡(luò)方案60-61
• 3.5 數(shù)值模擬和分析61-72
• 3.5.1 模擬環(huán)境及參數(shù)61-62
• 3.5.2 均勻負(fù)載路由算法62-64
• 3.5.3 網(wǎng)絡(luò)能量消耗和成本分析64-67
• 3.5.4 均勻負(fù)載路由與剩余能量分析67-69
• 3.5.5 約束下的最優(yōu)環(huán)數(shù)69-71
• 3.5.6 單sink網(wǎng)絡(luò)和多sink網(wǎng)絡(luò)比較71-72
• 3.6 本章小結(jié)72-74
• 第4章 基于成本最小的兩層無(wú)線(xiàn)感知器網(wǎng)絡(luò)部署方法74-88
• 4.1 兩層無(wú)線(xiàn)感知器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)74-75
• 4.2 已有的部署方法75-76
• 4.3 基于成本最小的網(wǎng)絡(luò)部署問(wèn)題描述和有關(guān)模型76-77
• 4.3.1 部署問(wèn)題描述76-77
• 4.3.2 有關(guān)模型77
• 4.4、節(jié)點(diǎn)部署策略77-82
• 4.4.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)77-79
• 4.4.2 最小化成本的規(guī)劃模型79-82
• 4.4.3 節(jié)點(diǎn)部署方法82
• 4.5 數(shù)字仿真與分析82-87
• 4.5.1 模擬環(huán)境82-83
• 4.5.2 成本分析83-86
• 4.5.3 網(wǎng)絡(luò)比較86-87
• 4.6、本章小結(jié)87-88
• 第5章 不同能量裝配情景下的成本最小化模型88-98
• 5.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和有關(guān)模型88
• 5.2 基本能量消耗和網(wǎng)絡(luò)成本分析88-89
• 5.3 節(jié)點(diǎn)初始能量給定情況下成本最小化模型89-94
• 5.3.1 優(yōu)化模型89-90
• 5.3.2 求解與分析90-94
• 5.4 感知器節(jié)點(diǎn)初始能量相同情況下成本最小化模型94-95
• 5.4.1 優(yōu)化模型94
• 5.4.2 求解與分析94-95
• 5.5 基于電池包裝配情況下成本最小化模型95-97
• 5.5.1 優(yōu)化模型95-96
• 5.5.2 求解與分析96-97
• 5.6 本章小結(jié)97-98
• 第6章 一種可變傳輸距離的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署策略98-106
• 6.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)98-99
• 6.2 優(yōu)化模型99-102
• 6.3 模型求解102-103
• 6.4 模型的改進(jìn)103-104
• 6.5 節(jié)點(diǎn)部署基本步驟及進(jìn)一步工作104-105
• 6.6 本章小結(jié)105-106
• 第7章 結(jié)論與展望106-109
• 7.1 全文總結(jié)106-107
• 7.2 課題研究展望107-109
• 參考文獻(xiàn)109-119
• 在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文119-120
• 作者簡(jiǎn)介120-121
• 致謝121-122

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本文編號(hào)：369036