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《吉林大学》 2014年
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无线传感器网络节能策略的研究

匡哲君  
【摘要】:无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)是由大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络,实现了数据的采集、处理和传输三种功能.由于低功耗、低成本、分布式和自组织的特点,无线传感器网络被广泛的应用于在军事、航空、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。 无线传感器网络构建以数据为中心的网络,为了获取精确信息,在监测区域通常部署大量传感器节点,可能达到成千上万,甚至更多。传感器节点主要分为通信模块,感知模块和计算模块。传感器节点的能量消耗主要集中在CPU和无线收发器上。在一般情况下,无线通信耗能相对较多。据统计,数据传输消耗的能量占整个传感器网络能量消耗的80%。然而,传感器节点通常是通过电池来进行供电的。换句话说,传感器节点部署完成后很难进行电池的更换。因此,如何保障无线传感器网络的能耗平衡,延长无线网络有效工作的生命周期是研究的主要问题之一。 无线传感器网络的生命周期的定义很多,无线传感器网络的生命周期是从正常工作到出现一个传感器节点能量耗尽为止为一个无线传感器网络的生命周期。无线网络拓扑结构通常分为星状网、网状网、混和网(分层网)。由于无线传感器网络拓扑结构具有:节点数目多、密度大、网络结构动态变化纷繁复杂等特点,提升了优化网络生命周期的复杂度。在MAC层方面的主要无效能耗是由四个方面造成的:①空闲侦听:传感器节点需要接收相邻节点所发送的数据,何时发送却不得而知,从而导致传感器节点的通信模块处于持续侦听的状态,使得大量能源消耗在无效的侦听上。②冲突重传:传感器节点在多对一的通信过程中,会产生信号的相互干扰,使得接收节点无法准确的收取数据。由于数据具有完备性,因此需要通过重复发送数据信息,这样使得能量浪费在数据的重复发送上。③串音:由于通信信号的相互干扰,节点会接收到许多无用或无关的噪音数据。使得能量浪费在接收无效信息上。④控制开销:在节点数据传输时,数据帧中附加了许多控制信息。如数据包交换,握手协议和固定分配协议中的周期建立分配表,这些无效控制信息增加了传输通信的数据量,使得能量浪费在传输无效信息上。 由于节点的空闲侦听过长,而导致节点处于侦听状态却无数据收发。而路由协议层的主要无效能耗,由于节点多对一的数据聚合形式,会使得部分节点因负载不均衡,而提前衰竭。各个层面的能源消耗,都会影响整个网络的生命周期,因此,针对各层面的能耗提出响应的改进方案。 本文研究内容及贡献主要包括以下几个方面: 1.无线传感器网络在国内外研究的现状和意义,概括了无线传感器网络的在各个领域的应用以及其重要性。对无线传感器网络的关键技术,特性,局限性等多方面进行深入的讨论与分析,揭示了当前无线传感器网所面临的问题和挑战。 2.无线传感器网络局限性,使得节点能源很难进行更换,因此在有限的能源限制下,需要尽可能的延长网络的生命周期。通过对无限传感器网络的体系结构和拓扑结构进行分析,对物理层,MAC层,路由选择,传输层等各个层面节能策略的分析。通过无线传感器网络的主要能源消耗针对性地提出延长网络生命周期的策略。在PMAC协议的基础上提出了相对的改进方案。无线传感器网络定期进行数据的收集以及数据传输,环境信息的变化有一定的突发性。由于突发事件的发生会产生大量的数据,突发事件的一段时间后会缓慢的进入一个稳定的数据收发周期。随着数据流量的减少,到达一定程度之后可以让节点进入休眠周期节约节点能源。因此,将节点状态根据数据流量划分为三种时段:密集流量时段,正常流量时段和空闲时段。并且将时隙进行四种类型的划分,最短侦听周期,最长侦听周期、最短休眠周期和最长休眠周期。即使在流量持续非常大的情况下,保持一个合理的休眠和侦听期。 3.在静态汇聚节点地情况下,提出了一种基于角色成员关系的算法。通过基于传感器节点现有能源情况构建节点角色关系和成员关系,通过节点关系来分担汇聚节点恶劣的能源消耗。合理的使用节点的剩余能源是非常有必要的。基于角色关系的路由算法构建了节点之间的角色关系和成员关系,通过这两层关系进行信息的传输。而角色关系和成员关系是通过节点的剩余能量和通信代价两个参数最为依据。一方面减少了组网所带来的消耗,另一方面保障了信息的合理传输。 4.在动态汇聚节点的环境下,提出一种根据延迟容忍级别进行延迟通信的方案。在静态汇聚节点运行过程中,由于中继节点的能源恶劣消耗,会导致汇聚点附近的节点提前衰竭。因此,诞生了许多基于移动汇聚节点的方案来解决这种“能量洞”问题。延迟容忍下的移动汇聚节点方案,需要根据延时容忍的级别来制定方案。在一些情况下数据并不是一定好立刻发送出去。可以考虑将收集来的数据先存储起来,等到汇聚移动节点靠近了再进行数据的传输。延迟容忍下的移动汇聚节点方案,在网络的延时容忍级别,节电空间的基础上实现网络生命周期最大化。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:TP212.9;TN929.5

【参考文献】
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