無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)作策略的研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡通常由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量傳感器節(jié)點組成，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域內(nèi)所監(jiān)測對象的信息，并傳送給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡在軍事、環(huán)境、醫(yī)療、家庭和商業(yè)應用領域具有廣闊的應用前景。網(wǎng)絡中的節(jié)點以自組織的形式結合在一起，通過分布式協(xié)同處理的方式完成基本任務。傳感器節(jié)點通常是能量受限的，因此設計出能量高效的無線傳感器網(wǎng)絡來延長網(wǎng)絡的生命周期極為重要。本學位論文研究無線傳感器網(wǎng)絡的協(xié)作策略，即各傳感器節(jié)點如何協(xié)作，

2、以最節(jié)能的方式實現(xiàn)網(wǎng)絡功能，達到提高網(wǎng)絡連通性和通信可靠性、延長網(wǎng)絡工作時間的目的。
　　論文取得的研究成果如下：
　　(1)構建分簇無線傳感器網(wǎng)絡的通信能耗模型并進行分析及優(yōu)化
　　為了提高無線傳感器網(wǎng)絡中分簇算法的能量使用效率，提出了一種在分簇網(wǎng)絡中計算最佳簇數(shù)目的分析方法。網(wǎng)絡中所有節(jié)點均服從二維均勻泊松點過程隨機分布，借助于隨機幾何推導出若干典型簇參數(shù)的數(shù)學期望。同時，依據(jù)無線傳輸過程中節(jié)點收發(fā)數(shù)據(jù)的實際能耗模

3、型，計算出整個系統(tǒng)在通信過程中所消耗的能量。通過將系統(tǒng)能耗函數(shù)最小化，最終分別得到單跳和多跳無線傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點成為簇首的最佳概率值。仿真結果證實了確實存在著能夠顯著提高分簇方案通信能量效率的最佳分簇數(shù)目，同時仿真結果也表明無論網(wǎng)絡中的節(jié)點密度如何，推導得出的節(jié)點成為簇首的最佳理論分析值與網(wǎng)絡中節(jié)點成為簇首的實際最佳概率值均極為近似?；谒岢龅姆治龇椒ǎ罴汛財?shù)目可以直接通過理論計算得到而無需經(jīng)過多次反復實際測試得到，這使得配置一個高

4、效節(jié)能的分簇無線傳感器網(wǎng)絡更為方便。該判決方法可推廣到使用其他MAC層和路由算法的分簇網(wǎng)絡。
　　(2)提出一種用于提高分簇無線傳感器網(wǎng)絡連通性和通信可靠性的節(jié)點協(xié)作算法
　　為了提高分簇無線傳感器網(wǎng)絡的連通性和通信可靠性，提出一種基于虛擬天線陣列的節(jié)點協(xié)作算法。網(wǎng)絡中的所有節(jié)點均按照泊松Voronoi網(wǎng)格模型進行分簇，簇首根據(jù)通信鏈路決定是否激活節(jié)點協(xié)作；若節(jié)點協(xié)作算法被激活，簇首從其成員中選擇適合的節(jié)點作為協(xié)作節(jié)點共同組

5、成虛擬天線陣列。通過協(xié)作，可擴展簇問的通信范圍從而與遠方節(jié)點直接通信以避免出現(xiàn)通信覆蓋盲區(qū)，或者可補償信道增益以防止由于信道深衰落所導致的傳輸失敗。仿真結果表明，該協(xié)作算法可以降低通信的中斷概率，維持網(wǎng)絡的連通性，同時使網(wǎng)絡具備較好的能量效率，延長網(wǎng)絡的工作時間。
　　(3)提出一種用于無線傳感器網(wǎng)絡簇間通信的自適應節(jié)能路由優(yōu)化算法
　　網(wǎng)絡中以總體通信能耗最小為首要原則建立端到端之間的路由，并對簇間通信提出一種優(yōu)化算法，使

6、得簇首之間相互通信時，可以在直接、中繼以及協(xié)作3種不同方式中自適應地選擇最節(jié)能的通信方式。所提出的路由算法可確保源簇首與基站通信過程中選擇到最佳或次最佳的節(jié)能路由，并可降低由于通信覆蓋盲區(qū)造成的通信中斷的概率。與其他傳感器網(wǎng)絡分簇路由算法相比，所提出的路由算法在相同吞吐量和誤碼率前提下每一輪都消耗更少的能量，并且在不同的節(jié)點密度下均可有效地延長網(wǎng)絡的生命周期。
　　(4)針對節(jié)點能量受限的無線傳感器網(wǎng)絡提出一種節(jié)點睡眠喚醒機制

7、r>　　無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點通常是能量受限的，因而系統(tǒng)的節(jié)能問題十分重要。當節(jié)點處于通信空閑狀態(tài)時，令其進入睡眠狀態(tài)可以為其節(jié)約大量的能量。針對大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡，提出一種基于Grid Quorum系統(tǒng)的節(jié)點睡眠喚醒機制，該機制有助于減少網(wǎng)絡中節(jié)點的空閑等待時間，使得節(jié)點更多時間處于休眠狀態(tài)以減少額外的能量損耗；并且在需要進行正常的數(shù)據(jù)通信時，節(jié)點又可被有效激活。同時，所提出的節(jié)點睡眠機制對于時鐘同步并無特殊要求。這使其適用于大規(guī)模