无线传感器网络能耗平衡策略研究

发布时间：2016-12-06 18:53

  本文关键词：无线传感器网络能耗平衡策略研究，由笔耕文化传播整理发布。

《吉林大学》 2015年

无线传感器网络能耗平衡策略研究

张婧  

【摘要】：无线传感器网络能够实现对物理世界的感知，如感知环境的温度与湿度变化、交通控制等。物联网的出现使得无线传感器网络技术能够更好地服务和满足人们的需求，同时它在工业、农业和医疗等领域的应用也具有广阔的应用前景。无线传感器技术的发展使人类的生活更加智能化，人类和物理世界可以实现互联互通。 通常，若干数量的节点被随机部署在监测区域内，这些节点自组织形成一个无线传感器网络，且无基础设施控制。一个基站位于监测区域附近，用于收集节点的感知数据，以供用户使用。该网络具有Ad Hoc网络的基本特性，如动态拓扑、自组成网等，同时无线传感器网络作为基础技术还具有应用相关性强的特点，随着应用的不同，网络亦具有不同的性能。但组成无线传感器网络的节点能量有限，无线传感器网络通常规模很大，节点能源耗尽之后对其电池进行更换或充电非常困难。这使得在设计无线传感器网络协议栈的各层协议时都需考虑能耗问题，如何最大限度地延长网络的生命周期是一直以来研究的热点。 早期的研究者们致力于提高网络中节点的能量利用率来延长网络的生命周期，但仍然无法最大限度的延长网络的生命周期。由于无线传感器网络采用多对一的数据传输模式，即所有传感器节点需将感知数据传输到汇聚节点或基站。若传感器节点与基站直接通信，则长距离通信使得远离基站的节点能耗过快；若传感器节点与基站借助多跳传输通信，则靠近基站的节点因承担过多负载而能耗过快。这两种情况都将导致网络中节点的能耗速率存在差异，即出现能耗不平衡的现象。无线传感器网络具有覆盖需求。当监测区域无法被完全覆盖时，，其感知数据的准确率就会下降。因此，当网络中有节点过早死亡时，将会造成网络无法连通，出现孤立区域，网络无法完全覆盖监测区域，此时认为网络的生命周期终止。但网络中节点能耗的速率不一致，此时网络中其他节点仍然具有较多的残余能量，因此如何使网络中节点的能量损耗速率趋于一致，即实现网络能耗平衡，将能最大限度且有效地延长网络的生命周期。 基于上述对实现网络能耗平衡必要性的分析，本文设计了平面路由策略、基于单跳传输的非均匀分簇策略、基于多跳传输的非均匀网格簇划分策略和非均匀自适应分簇算法、实现能耗同步的传输策略，以均衡网络中节点的能量消耗，达到延长网络生命周期的目的。本文的主要贡献如下： 1.在平面路由策略中，网络中节点的地位平等，节点既为数据感知者又可作为中继节点协助其他节点完成数据传输。因此靠近基站的传感器节点往往承担过多转发负载，这些节点因能耗过快而过早死亡。针对这一能耗不平衡现象，本文提出了一种实现能耗均衡的节点发射功率反馈控制机制，将网络的能耗平衡问题表示为离散型多约束的非线性规划问题，并利用相对差分法搜索最优解，获得网络中节点的最优传输半径。通过实时获取网络的历史信息即能量信息，对节点的发射半径进行周期性地反馈调整，使得节点的传输功率随着网络运行而变化，考虑了网络的时变特性，实现了网络中节点承担数据量的重新分布，提升了网络中节点的能耗速率的一致性，有效地延长了网络的生命时间。该算法不仅降低节点的能量消耗，同时通过负载重新分配均衡节点能耗。根据节点到基站的距离，一些剩余能量的高的节点的能量将会被开发而剩余能量低的节点的能量将会被保护。 2.在单跳传输分簇策略中，簇头节点将融合后的数据直接传输至基站，而长距离传输将造成较大的能量消耗。在该通信模式下，远离基站的簇头节点因长距离通信而提前耗尽能量，从而造成网络无法连通，监测区域进而无法被完全覆盖。本文通过对网络中位于不同位置的簇的能耗进行分析，得到的结论为一旦网络完成部署，则网络中各簇的能耗与其簇半径的大小相关。基于这一分析结果本文提出了一种基于单跳传输的非均匀分簇方式，即远离基站的簇相应的具有较小的簇半径，减少其管理的簇成员数量，可以节省能量用于长距离的通信；而离基站近的簇头节点可增大其簇半径，增加其管理的簇成员数，提高其能量利用率。这样可以实现网络中节点能量的均匀下降。 3.在多跳传输的分簇策略中，簇头节点以协作的方式通过多跳传输完成与基站之间的通信。虽然提高了网络中节点能量的利用率，但是不可避免地造成靠近基站的簇头节点因承担过多的负载而能耗过快。针对这一能耗不均衡问题，本文提出了一种非均匀网格簇划分方法，即将网络划分为边长不相等的网格，而基于网格的网络结构划分有利于对网络负载的分析更加准确。进一步根据对网络中的负载和能耗分析可得出优化的簇半径。靠近基站的网格边长要小于远离基站的网络边长。同时簇头的选举采用推荐机制，簇头节点将推荐本簇内剩余能量多的节点为新的簇头，有效地降低了簇头选举造成的能量消耗。 4.在基于多跳传输的非均匀分簇算法中，簇半径的大小通常是固定的，但是无线传感器网络为实时变化的网络，固定的分簇方式将导致簇的边缘节点能耗过快，依然存在能耗不均衡的现象。因此本文提出了能够实现簇半径动态调整的非均匀分簇策略，根据节点与邻居节点的平均能量比较，节点可自适应地调整竞争半径，即剩余能量多的节点可适当增大竞争半径，而剩余能量小的节点适当减小竞争半径以保护自己的能量。同时结合本文提出的簇头推荐机制以及簇的二次划分策略，有效地均衡了网络中节点的能耗。 5.为了实现能耗同步的传输策略，本文基于复杂网络的同步理论，将节点之间的通信关系描述为耦合关系，进一步构建了节点状态方程，将节点的剩余能量和其与基站之间的距离转化为节点间的耦合因子，用来描述节点间的传输代价。网络中的关键节点制约网络的生命周期，而介数能够很好地描述节点在网络中的影响力。本文通过不断降低网络中节点的最大介数值，提高了网络的同步能力，降低了关键节点对网络性能的影响，从而均衡数据量在网络中的分布，获得优化的节点传输路径，实现整个网络的能耗均衡。 本文通过对无线传感器网络中不同结构下节点能耗的分析，将能耗问题给出不同的描述形式，借助非线性规划以及复杂网络中的同步概念等理论，规划了网络中节点的发射功率、簇半径大小以及数据量的分布，有效地实现了网络中节点能耗的均衡下降，达到了延长网络生命周期的目的。

【关键词】：
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN929.5;TP212.9
【目录】：

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本文编号：206807