高能效無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇算法的研究.pdf

1、物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方興未艾，作為其核心技術(shù)之一的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在諸多領(lǐng)域內(nèi)都具備廣闊的應(yīng)用前景。在其相關(guān)的應(yīng)用場景中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)嚴(yán)重受到能源及其自身軟硬件資源的限制，很大程度上放緩了其大規(guī)模應(yīng)用的腳步。在傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究中，高能效問題以及覆蓋問題作為重要的性能指標(biāo)，一直是首要設(shè)計(jì)目標(biāo)。本課題主要研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高能效問題，致力于提高網(wǎng)絡(luò)的覆蓋生命周期。
　　該研究領(lǐng)域的前沿研究表明，基于分簇結(jié)構(gòu)的層次網(wǎng)絡(luò)被證明是比較高能效的

2、網(wǎng)絡(luò)模型。對(duì)于隨機(jī)部署的應(yīng)用，傳感器節(jié)點(diǎn)調(diào)度技術(shù)也是提高網(wǎng)絡(luò)生命周期的重要手段之一。本研究將繼續(xù)深入研究高能效的分簇算法，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得整體網(wǎng)絡(luò)能耗盡量均衡。求解整體網(wǎng)絡(luò)的能耗理論下限值，并設(shè)計(jì)相適應(yīng)的分簇算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分簇，使能耗逼近理論模型，最大化網(wǎng)絡(luò)覆蓋生命周期。
　　本論文的主要貢獻(xiàn)如下：
　?。?）本文對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗不均衡問題提供了解決方案，使得整體網(wǎng)絡(luò)能耗更加均衡，提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋生命周期。傳統(tǒng)WSNs的

3、自組織網(wǎng)絡(luò)中會(huì)產(chǎn)生能耗金字塔效應(yīng)，即熱區(qū)問題，且該熱區(qū)問題隨著網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模擴(kuò)大急劇增大。本課題提出采用移動(dòng)節(jié)點(diǎn)將熱區(qū)問題弱化的解決方案，使得網(wǎng)絡(luò)能耗均衡化。
　?。?）本課題對(duì)傳統(tǒng)WSNs中的分簇模型做了改進(jìn)，并建立能耗計(jì)算理論模型，推理得出能耗最優(yōu)簇尺寸。本課題著重研究了高能效的分簇方案及其相關(guān)算法，首先提出了分簇方案，將WSNs均勻的劃分成等大小的簇結(jié)構(gòu)。然后建立理想覆蓋模型，利用理想模型求解能耗最優(yōu)簇尺寸。在計(jì)算最優(yōu)解的過程中

4、，結(jié)合上述解決熱區(qū)問題的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，對(duì)整體網(wǎng)絡(luò)能耗進(jìn)行優(yōu)化，使得能耗逼近下限值。
　?。?）本論文提出找出最多的滿足用戶需求的覆蓋率的覆蓋集，使之同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測作業(yè)，形成延時(shí)全覆蓋效應(yīng)。本課題著重研究如何使得網(wǎng)絡(luò)的覆蓋生命周期最大化。因?yàn)楦采w率對(duì)于應(yīng)用來說也是非常重要的參數(shù)，如果不能達(dá)到用戶的覆蓋要求，則網(wǎng)絡(luò)是無效的。本課題采用計(jì)算復(fù)雜度很低的算法選取出盡量多的滿足覆蓋率的覆蓋集，這些覆蓋集將在不同的時(shí)間周期內(nèi)工作。在保證單個(gè)覆蓋集的

5、覆蓋率的同時(shí)，也能保證整個(gè)被監(jiān)測區(qū)域內(nèi)各個(gè)區(qū)域都能在一定的延遲內(nèi)被監(jiān)測到。該方案對(duì)于非嚴(yán)格實(shí)時(shí)的應(yīng)用中具有非常實(shí)用價(jià)值，可以使得整體網(wǎng)絡(luò)的覆蓋生命周期大大增加。
　?。?）最后針對(duì)本文特定的分簇方案，制定適合該高能效分簇方案的配套算法。通過上述對(duì)提高 WSNs覆蓋生命周期的研究并制定的解決方案和優(yōu)化結(jié)果。本課題接著制定適合自身的協(xié)議，包括分簇算法，覆蓋集的選取，簇首節(jié)點(diǎn)的選取，骨干網(wǎng)絡(luò)的生成及其修復(fù)等算法。通過這些協(xié)議互相協(xié)作配合