無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能策略研究

【摘要】： 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和微機電系統(tǒng)技術(shù)的進步,以較低花費部署一組網(wǎng)絡(luò)機器人于大范圍內(nèi)自動監(jiān)測與收集數(shù)據(jù)是可行的。這些機器人以ad-hoc網(wǎng)絡(luò)方式共享其感測信息,并通過協(xié)作與自適應(yīng)配置構(gòu)成了以監(jiān)測指定環(huán)境為任務(wù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍用與民用上均具有廣泛的用途,例如戰(zhàn)場搜救、危險環(huán)境操作、環(huán)境監(jiān)測、目標跟蹤和遠程感測。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點一般采用電池供電,可以使用的電量非常有限,而更換電池是困難的甚至是不可能的;但是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存時間卻要求長達數(shù)月甚至數(shù)年。因此,如何在不影響功能的前提下,盡量節(jié)約無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的電池能量成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心問題,也是當前國內(nèi)外研究機構(gòu)關(guān)注的焦點。 本文的目的是設(shè)計與驗證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能方法。本文重點研究了幾個與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其能耗有關(guān)的問題。 本文基于圖論與機器人運動學(xué),針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式協(xié)作與多跳通信特點,提出了一種動態(tài)模型。該模型用Delaunay三角剖分和Voronoi圖描述相鄰節(jié)點的幾何關(guān)系。模型中,每個節(jié)點的行為只與其一跳相鄰節(jié)點和其所處環(huán)境有關(guān)。該模型為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各種任務(wù)(例如網(wǎng)絡(luò)的自組織覆蓋,網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)查詢路由,相鄰節(jié)點的信息共享)的完成提供了一個解決方案。 為解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)連接與覆蓋問題,本文提出了三種自組織算法。第一種方法利用微粒群算法在多目標優(yōu)化方面的優(yōu)勢,用其改善傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的自組織,使得網(wǎng)絡(luò)在覆蓋的均勻性、快速性和連結(jié)的可靠性方面均有較好的表現(xiàn)。第二種方法是一種虛擬力與粒子群相結(jié)合的分布式自組織算法。在虛擬力方法中引力與斥力共同作用,控制著網(wǎng)絡(luò)的自組織過程,其系數(shù)的確定與傳感器網(wǎng)絡(luò)展開的效果密切相關(guān)。此算法先用改進型粒子群算法對引力系數(shù)與斥力系數(shù)尋優(yōu),然后利用這兩個系數(shù)的尋優(yōu)結(jié)果計算出虛擬力并部署節(jié)點。仿真表明此方法能夠兼顧部署的快速性和最終的覆蓋率。第三種方法將市場競爭規(guī)律應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的連接與覆蓋,把傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點類比為市場競爭中的經(jīng)濟主體,把目標監(jiān)測區(qū)域類比為經(jīng)濟資源,把對傳感器網(wǎng)絡(luò)所做的優(yōu)化配置類比為市場競爭行為對經(jīng)濟資源的優(yōu)化配置。該算法能夠降低節(jié)點的計算量、移動距離及信息復(fù)雜度,也能提高網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能效率。 針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多跳轉(zhuǎn)播問題,本文根據(jù)Friis自由空間方程推導(dǎo)出使用中繼節(jié)點通信能夠減少能耗的必要條件,提出了一種能量高效性單播路由算法。該算法首先對被討論的網(wǎng)絡(luò)剪枝,只保留滿足節(jié)能條件的中繼節(jié)點。剪枝后的網(wǎng)絡(luò)被看作一個圖,在給每一跳賦一個反映其能耗的代價值后可以計算出最小代價路徑。仿真結(jié)果表明該算法在節(jié)省能量和算法復(fù)雜度方面能夠取得較好的平衡,同時也體現(xiàn)了將剪枝應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)越性和潛力。 為降低無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中射頻模塊的能量消耗,本文提出了一種基于指向性天線的節(jié)能策略。該方法利用指向性天線的高增益、低旁瓣特性,能夠大量減少信道損失、沖突、串擾等因素引起的能耗,顯著提高網(wǎng)絡(luò)的能量利用效率。 基于Delaunay三角剖分和Voronoi圖,本文提出了一種數(shù)據(jù)融合方法,并結(jié)合本文提出的能耗模型對其節(jié)能原理做了分析。仿真結(jié)果表明將數(shù)據(jù)融合方法應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能是有效的。 在全文的結(jié)論部分,歸納了本文所做的主要工作和仍然存在的幾點不足,并對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能策略研究的發(fā)展趨勢做了展望。 【關(guān)鍵詞】：無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 分布式動態(tài)模型 節(jié)能 自組織 連接與覆蓋 路由協(xié)議 指向性天線 信息融合
【學(xué)位授予單位】：江南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2008
【分類號】：TN929.5;TP212.9
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 緒論9-13
• 1.1 課題的背景及意義9
• 1.1.1 課題背景9
• 1.1.2 研究意義9
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀9-11
• 1.3 本課題主要任務(wù)11-13
• 第二章 基于圖論的分布式移動傳感器網(wǎng)絡(luò)模型13-17
• 2.1 節(jié)點動態(tài)模型13-14
• 2.2 基于圖論的分布式模型14-15
• 2.3 基于模型的信息融合15-16
• 2.4 本章小結(jié)16-17
• 第三章 移動傳感器網(wǎng)絡(luò)自組織17-33
• 3.1 背景與定義17-18
• 3.1.1 覆蓋問題17
• 3.1.2 連接問題17-18
• 3.2 基于改進微粒群算法的移動傳感網(wǎng)絡(luò)自組織方法18-22
• 3.2.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)自組織模型建立18-19
• 3.2.2 較少節(jié)點的自組織19-20
• 3.2.3 較多節(jié)點的自組織20-21
• 3.2.4 仿真實驗21-22
• 3.3 虛擬引力和斥力作用下傳感器網(wǎng)絡(luò)自組織控制22-26
• 3.3.1 虛擬力模型22-23
• 3.3.2 基于粒子群算法的參數(shù)確定23-24
• 3.3.3 仿真試驗24-26
• 3.4 基于市場競爭行為的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)連接與覆蓋算法26-32
• 3.4.1 問題描述27-28
• 3.4.2 算法描述28-30
• 3.4.3 仿真試驗30-32
• 3.5 本章小結(jié)32-33
• 第四章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量高效單播路由33-41
• 4.1 引言33
• 4.2 節(jié)點能耗分析33-36
• 4.2.1 發(fā)射機的能耗模型33-34
• 4.2.2 接收機的能耗模型34
• 4.2.3 有關(guān)收發(fā)機能耗的一些參數(shù)34-35
• 4.2.4 中繼通信節(jié)能的條件35-36
• 4.3 能量高效單播路由算法36-40
• 4.3.1 剪枝搜索37
• 4.3.2 最短路徑算法37-40
• 4.4 仿真實驗40
• 4.5 本章小結(jié)40-41
• 第五章 基于指向性天線的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能策略41-45
• 5.1 指向性天線節(jié)能原理分析41-43
• 5.2 基于指向性天線的數(shù)據(jù)傳輸43-44
• 5.3 未來研究44
• 5.4 本章小結(jié)44-45
• 第六章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合45-51
• 6.1 數(shù)據(jù)融合簡介45-47
• 6.1.1 背景與定義45
• 6.1.2 數(shù)據(jù)融合結(jié)構(gòu)45-47
• 6.1.3 數(shù)據(jù)處理方法47
• 6.2 數(shù)據(jù)融合節(jié)能原理分析47-48
• 6.3 仿真實驗48-50
• 6.4 本章小結(jié)50-51
• 第七章 總結(jié)與展望51-53
• 7.1 總結(jié)51
• 7.2 展望51-53
• 致謝53-54
• 參考文獻54-56
• 附錄：作者在攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文及項目研究56

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我國研制出首套IPv6微型傳感路由器    通訊員　 張?zhí)m 記者　 趙鳳華

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