保证连通的无线传感器网络覆盖优化研究

发布时间：2020-07-06 18:16

【摘要】：目前,无线传感器网络(WSN)在许多领域得到了广泛应用。传感器节点能够感知数据,存储和处理数据,节点间能通过协作的方式把数据信息传送给用户。在无线传感器网络中,覆盖能力对物理监测区域或目标的服务质量和感知能力有重要影响,而节点间是否连通则影响了节点间互相接收和发送数据,从而影响用户对数据的接收。因而,覆盖和连通是无线传感器网络中的两个值得关注的重要问题,严重影响网络的能耗和生存期。在无线传感器网络中,感知节点对目标或区域的正确覆盖是必须首先保证的,后续的感知工作才能够进行。若未能保证对目标和感知区域的覆盖和连通,WSN就无法对被监测目标或区域的进行物理量监测,网络的可用性也会丧失。同样,若在覆盖目标的过程中没有合理的拓扑控制和节点轮值,就会很快耗尽网络的能量,进而威胁到网络的生命周期。因此,在WSN的覆盖控制中,需要针对监测任务制定合适的区域或目标监测方案、拓扑控制方案及节点轮值顺序。简要介绍了无线传感器网络覆盖问题的研究现状,对多种智能优化算法的优缺点进行分析,设计了一种基于二进制入侵杂草算法的覆盖优化方法。首先在原始的入侵杂草算法(IWO)的基础上,优化了杂草的编码与种子的产生方法,杂草由二进制编码组成;父代杂草种群的每一位将其根据特定映射方式转换成变异的概率去产生种子,并通过特定的计算方法确定变异的位。其次,为了克服入侵杂草算法的缺点,使BIWO算法具有更强的收敛性,解更具多样性,从而找到全局最优解,杂草种群的生成采用自适应的标准差。最后,在Matlab环境下进行了仿真实验,在无线传感器网络覆盖问题上,把利用改进的BIWO算法和遗传算法的优化的结果进行对比。另外,将不同优化策略在不同节点数目和节点工作轮数的情况下对节点的覆盖率和死亡率进行对比,结果表明BIWO具有更好的收敛性能并可以显著提高目标覆盖率、延长网络寿命。提出了一种基于最短路径的能够满足网络覆盖与连通要求的覆盖连通算法(SAGCC)。该算法的主要目标是构建一个覆盖连通集。首先,根据构建节点的邻居节点集合确定节点是否为冗余节点,没有休眠的节点转为工作状态;其次,冗余节点进入准备休眠状态,没有休眠的节点转为工作状态,保证网络有限的能量得到更加有效和合理的利用,从而避免产生覆盖盲区。最后,为确保网络连通,须把最短路径上的辅助节点转入工作状态。在Linux平台下采用了NS-2对算法进行了仿真实验。结果表明,随着部署节点数目的增加,SAGCC仍能保持相对稳定的工作节点数目;在覆盖/连通比度、网络覆盖率等方面比大多数基于同构WSN覆盖连通算法表现更好;在网络生命周期方面,比多数基于同构网络更好,与基于异构WSN覆盖连通算法相近。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP212.9;TN929.5
【图文】：

无线传感器网络

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks,WSN）引起了科技工作者极大的关注。无线传感器网络能够对某个区域或者目标进行实时监测，通过节点间的协作，能够及时、快速、方便把信息传送给用户[1]。无线传感器网络具有自组织、大规模、动态性等特性使之很多领域均发挥着非常重要作用，比如军事、环境科学、健康领域、农业等[2]。1.1.1 无线传感器网络体系结构无线传感器网络由汇聚节点、传感器节点和管理节点组成[2]。监测数据由传感器节点完成，节点间通过协作逐跳地进行数据传输，经过多次路由，最终达到汇聚节点。通过卫星或互联网，管理节点能接收汇聚节点发送的监测数据，而后发送给用户，用户可以对整个网络进行管理和配置。其体系结构如下图 1.1 所示[3]：

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8图 1.2 无线传感器节点的结构图1.2.2 无线传感器网络的能量供应和消耗传感器节点通常是由能量有限的电池供电的，其首要性能指标是工作寿命，也目前该领域研究的重点问题。如果有一些节点能量耗尽后不可用影响网络的可用性，导致无法完成监测任务，就称这个网络已经死亡。而节点的能量供应水平和消耗能量的速度共同决定了无线传感器网络的寿命[8]。下面我们能量的供应和消耗来分析其能量问题。1. 能量供应传感器节点的电源模块一般采用容量有限的微型电池，然而由于通常应用场合比较特殊，当电池能量用光时，通常无法对其充电或更换电池[5]。节点通常在电源能量耗尽后，就会死亡或者失效。该问题严重影响无线传感器网络应用和发展[9]。2. 能量消耗无线通信能耗与通信距离有关，通信距离越大，能耗就越大。对传感器节点来说，执行计算指令比传输信息消耗的能量要少得多。因此，必须在节点数据信息的采集与传输过程中管理对节点的能耗，尽可能让每个节点均衡地消耗能量，使节点的能量的利用地更加有效，从而延长无线传感器网络的寿命[10]。一个无线传感器网络通常需要部署的节点数目较多，因而需要较大成本的[11]。如果一个无线传感器网络的生命周期太短无法获得足够多的监测数据，为了完成监测任务，可能需要多次部署，从而需要更大

图 2.1 栅栏覆盖覆盖盖要求无线传感器网络能够完全监测整个目标区域，区域内的任意一点至少能被某个节点感知到。图 2.2 所示。其中，圆盘表示每个传感器节点的覆盖范于休眠状态，绿色的圆表示传感器节点在工作，从图覆盖了图中矩形区域。

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