能量獲取無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由及拓?fù)淇刂苾?yōu)化研究.pdf

1、能量獲取無(wú)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(wú)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

2、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(guò)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(wèn)題。因此，在這種形勢(shì)下，EHWSN受到了來(lái)自學(xué)術(shù)界和工業(yè)界越來(lái)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

3、的技術(shù)挑戰(zhàn)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂谱鳛闊o(wú)線傳感器建網(wǎng)和通信的基礎(chǔ)，直接影響無(wú)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(wèn)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ǎ饕芯磕繕?biāo)是開(kāi)發(fā)適用于

4、 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(lái)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(guò)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)

5、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 Clust

6、ering 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(lái)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(wèn)題，從理論上證明了該最大化最小節(jié)點(diǎn)能量值問(wèn)題的NP困難性，提出了一種多項(xiàng)式時(shí)間算法解決該問(wèn)題，并從節(jié)點(diǎn)平均剩余能量和網(wǎng)絡(luò)

7、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(lái)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(lái)的能量“上溢”問(wèn)題，以達(dá)到平衡網(wǎng)絡(luò)傳輸負(fù)載，克服節(jié)點(diǎn)過(guò)早失效的問(wèn)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