本文關(guān)鍵詞：能量獲取無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由及拓?fù)淇刂苾?yōu)化研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：能量獲取無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(EHWSN,Energy-Harvesting Wireless Sensor Network)是一個(gè)分布式的感知系統(tǒng),由多個(gè)低成本的兼具有能量獲取、數(shù)據(jù)探測(cè)、數(shù)據(jù)聚合和數(shù)據(jù)傳輸能力的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN,Wireless Sensor Network)通常采用能量有限的微型電池提供電源,且常常由于工作環(huán)境較為復(fù)雜,很難補(bǔ)充或者替換節(jié)點(diǎn)的電池,這在一定程度上成為WSN進(jìn)一步深度拓展的瓶頸所在。與傳統(tǒng)WSN相比較而言,EHWSN的工作時(shí)長(zhǎng)得到了很大的提升。通過引入能量獲取技術(shù),給傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)附加能量獲取模塊,將周圍所處環(huán)境中的風(fēng)能、太陽(yáng)能等自然能量轉(zhuǎn)換為電能并儲(chǔ)存在電池中,供給傳感器節(jié)點(diǎn)使用,有效緩解了節(jié)點(diǎn)電池的能源受限問題。因此,在這種形勢(shì)下,EHWSN受到了來自學(xué)術(shù)界和工業(yè)界越來越多的關(guān)注和青睞。盡管能量獲取技術(shù)為WSN的大規(guī)模廣泛應(yīng)用提供了廣闊的前景,然而如何使這些能源真正為WSN服務(wù)還存在大量的技術(shù)挑戰(zhàn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂谱鳛闊o線傳感器建網(wǎng)和通信的基礎(chǔ),直接影響無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各個(gè)方面的性能表現(xiàn)。傳統(tǒng)WSN中的路由及拓?fù)淇刂萍夹g(shù)主要從節(jié)點(diǎn)的地理位置、實(shí)時(shí)能量狀態(tài)等角度出發(fā),然而這些方法應(yīng)用于EHWSN中存在很多問題,網(wǎng)絡(luò)性能有待進(jìn)一步提高。目前關(guān)于WSN的主流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包含平面型和層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),因此,本文主要研究引入能量獲取技術(shù)后的WSN在平面型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的路由算法及拓?fù)淇刂扑惴?主要研究目標(biāo)是開發(fā)適用于EHWSN的高效路由傳輸算法及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂扑惴�。論文主要的研究�(jī)?nèi)容和成果如下:針對(duì)平面型結(jié)構(gòu)的EHWSN,本文首先基于能量中性操作的概念,根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)在未來一段時(shí)間內(nèi)的期望獲取能量和期望消耗能量,分別提出了能量中性操作節(jié)點(diǎn),能量中性操作路徑以及最優(yōu)傳輸代價(jià)的能量中性操作路徑的定義。分析了在單源點(diǎn)單匯點(diǎn)的WSN中,以數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)為驅(qū)動(dòng)如何通過調(diào)整傳感器節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率找到最優(yōu)傳輸代價(jià)的能量中性操作路徑。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步設(shè)計(jì)了多源點(diǎn)單匯點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸方案使得路徑上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都達(dá)到能量中性操作的要求。然后,本文從概率論的角度研究了所提方法在不同置信區(qū)間上關(guān)于路徑容量的性能表現(xiàn)。最后分析了如何在Ford-Fulkerson最大流算法的基礎(chǔ)上,求得單源點(diǎn)單匯點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸容量,并探討了如何將多源點(diǎn)單匯點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為單源點(diǎn)單匯點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。針對(duì)層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的EHWSN,基于傳統(tǒng)的LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)分層次路由協(xié)議進(jìn)行改進(jìn),以使其適用于EHWSN。針對(duì)LEACH協(xié)議分簇不均勻的特點(diǎn),本文考慮節(jié)點(diǎn)電池的能量,在未來一段時(shí)間內(nèi)的期望獲取能量和期望消耗能量共同決策簇頭節(jié)點(diǎn)的選擇,以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的分簇情況。本文對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)能量的使用情況進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,將節(jié)點(diǎn)的能量分布映射成最大化最小值問題,從理論上證明了該最大化最小節(jié)點(diǎn)能量值問題的NP困難性,提出了一種多項(xiàng)式時(shí)間算法解決該問題,并從節(jié)點(diǎn)平均剩余能量和網(wǎng)絡(luò)平均工作時(shí)長(zhǎng)等方面進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。此外,本文提出了一種適用于平面型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基于順序勢(shì)博弈論的拓?fù)淇刂扑惴�。該算法研究如何利用�?jié)點(diǎn)獲取到的能量進(jìn)行拓?fù)淇刂苾?yōu)化,并采用馬爾科夫模型預(yù)測(cè)節(jié)點(diǎn)在未來一段時(shí)間內(nèi)的收獲能量。利用收獲能量大的節(jié)點(diǎn)去“保護(hù)”收獲能量小的節(jié)點(diǎn),在一定程度上緩解由于電池容量約束帶來的能量“上溢”問題,以達(dá)到平衡網(wǎng)絡(luò)傳輸負(fù)載,克服節(jié)點(diǎn)過早失效的問題�？紤]傳感器節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率,覆蓋范圍以及節(jié)點(diǎn)電池容量的限制,對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)集合,策略集合和效益函數(shù)這三個(gè)要素進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,并在理論上證明了該博弈是一個(gè)順序勢(shì)博弈,進(jìn)而得出納什均衡的存在。接著提出了如何在該博弈中達(dá)到納什均衡的多項(xiàng)式時(shí)間算法,并從節(jié)點(diǎn)能量消耗、網(wǎng)絡(luò)無秩序代價(jià)等多個(gè)方面進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
【關(guān)鍵詞】：能量獲取無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 拓?fù)淇刂?/strong> 路由優(yōu)化 能量中性 博弈
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN929.5;TP212.9
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-10
• 1 緒論10-32
• 1.1 研究背景及意義10-22
• 1.1.1 EHWSN簡(jiǎn)介10-17
• 1.1.2 EHWSN發(fā)展與研究現(xiàn)狀17-21
• 1.1.3 EHWSN研究目標(biāo)和意義21-22
• 1.2 EHWSN路由及拓?fù)淇刂苾?yōu)化研究現(xiàn)狀22-29
• 1.2.1 代數(shù)圖論預(yù)備知識(shí)23-25
• 1.2.2 EHWSN路由技術(shù)研究現(xiàn)狀25-28
• 1.2.3 EHWSN拓?fù)淇刂苾?yōu)化技術(shù)研究現(xiàn)狀28-29
• 1.3 主要研究?jī)?nèi)容及創(chuàng)新點(diǎn)29
• 1.4 論文結(jié)構(gòu)安排29-30
• 1.5 本章小結(jié)30-32
• 2 EHWSN平面型結(jié)構(gòu)的中性路由研究32-52
• 2.1 引言32-34
• 2.2 關(guān)于中性操作路徑的定義及數(shù)學(xué)描述34-37
• 2.2.1 本文研究所使用的網(wǎng)絡(luò)模型34-36
• 2.2.2 尋找能量中性操作路徑的相關(guān)定義及數(shù)學(xué)化描述36-37
• 2.3 基于中性操作的路由算法37-40
• 2.3.1 單源點(diǎn)單匯點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸37-38
• 2.3.2 多源點(diǎn)單匯點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸38-40
• 2.4 網(wǎng)絡(luò)容量的討論40-43
• 2.4.1 關(guān)于網(wǎng)絡(luò)容量的分析40-41
• 2.4.2 網(wǎng)絡(luò)近似容量算法41-43
• 2.5 性能分析和仿真實(shí)驗(yàn)43-50
• 2.5.1 單源單匯網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸44-47
• 2.5.2 多源單匯網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸47-49
• 2.5.3 網(wǎng)絡(luò)容量49-50
• 2.6 本章小結(jié)50-52
• 3 EHWSN層次型結(jié)構(gòu)的分簇路由研究52-64
• 3.1 引言52-53
• 3.2 分簇問題描述53-55
• 3.2.1 本文研究所使用的網(wǎng)絡(luò)模型53-54
• 3.2.2 分簇問題的數(shù)學(xué)化描述54-55
• 3.3 感知能量獲取的分簇路由算法55-57
• 3.4 性能分析和仿真實(shí)驗(yàn)57-62
• 3.4.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置57-58
• 3.4.2 算法性能驗(yàn)證58-60
• 3.4.3 與現(xiàn)有算法性能比較60-62
• 3.5 本章小結(jié)62-64
• 4 EHWSN平面型結(jié)構(gòu)的拓?fù)淇刂苾?yōu)化研究64-88
• 4.1 引言64-66
• 4.2 本文研究所使用的網(wǎng)絡(luò)模型66-67
• 4.3 拓?fù)淇刂撇┺?/span>67-72
• 4.3.1 順序勢(shì)博弈理論的預(yù)備知識(shí)67-68
• 4.3.2 功率調(diào)節(jié)問題的數(shù)學(xué)化描述68-72
• 4.4 感知獲取能量的功率控制算法72-74
• 4.5 性能分析和仿真實(shí)驗(yàn)74-86
• 4.5.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置74-75
• 4.5.2 EHA算法性能驗(yàn)證75-80
• 4.5.3 與現(xiàn)有算法性能比較80-85
• 4.5.4 無秩序代價(jià)的分析85-86
• 4.6 本章小結(jié)86-88
• 5 總結(jié)與展望88-92
• 5.1 論文工作總結(jié)88-89
• 5.2 下一步的研究展望89-92
• 致謝92-94
• 參考文獻(xiàn)94-106
• 附錄106-107
• A．攻讀博士學(xué)位期間已發(fā)表或完成的論文目錄106
• B．攻讀博士學(xué)位期間已申請(qǐng)或提交的專利目錄106-107
• C．攻讀博士學(xué)位期間主要參與的科研項(xiàng)目目錄107

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前2條

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中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 劉華峰;傳感器網(wǎng)絡(luò)三維拓?fù)浣M織及分簇算法研究[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2007年

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本文編號(hào)：418848

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