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《武汉理工大学》 2010年
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能量高效的无线传感器网络覆盖控制问题研究

许永强  
【摘要】: 无线传感器网络是由低成本、低功耗、具备感知、数据处理、存储和无线通信能力的微型传感器节点通过自组织方式形成的网络。能量消耗和网络覆盖是无线传感器网络的两个核心问题。能量消耗决定了无线传感器网络的生存时间,网络覆盖则决定了无线传感器网络对物理世界的监测能力。在随机部署的无线传感器网络中,常见的路由协议往往只考虑网络连通的能量高效性,而无法保证网络的覆盖质量;大多数的覆盖控制算法都能保证良好的网络覆盖质量,但都依赖于传感器节点的精确位置,而且也增加了网络的能量开销。本文针对网络的能量高效性和覆盖质量进行了深入研究。 本文首先概述了无线传感器的特点、结构、概念以及网络中的能效问题,其次介绍了覆盖问题和几种不同应用的覆盖控制算法,然后分析了分簇路由算法并在此基础上提出了两种基于不同考虑的新算法。 在目前的研究中,分簇算法被认为是进行高效的能量管理、延长网络生命周期的最有效的途径之一。因此本文在提出的新协议中运用了分簇思想来提高网络的能效性,并对经典的无线传感器网络分簇协议LEACH(低功耗自适应分簇协议)进行了深入的研究,尤其是簇头选举机制和簇间通信方面的研究。针对LEACH协议存在的缺陷,本文提出了以下改进: 1)针对LEACH协议簇头选举的随意性,提出了一种基于覆盖的能量高效成簇算法ECAC。该算法的簇头选举机制考虑了覆盖问题和节点剩余能量问题,即尽可能的让覆盖冗余度高的节点充当簇头,同时随着网络运行的时间而增加剩余能量多的节点成簇头的概率。因此保证了较高的网络覆盖率,平衡了各节点的能耗,从而延长了网络的有效生命周期。 2)针对LEACH协议的簇头单跳路由通信方式,提出了一种基于覆盖的簇间多跳路由协议ECAC-M。新协议沿用了ECAC算法的簇头选举机制,簇头与基站的通信采用多跳通信。簇头根据其与基站的距离和能量来构造多跳路径树,簇间采用多跳通信,最终经过多跳路径树的根节点簇头发送数据到基站。最后证明了簇间多跳通信可以节省能量所必须满足的距离约束条件。 通过NS-2平台对LEACH、ECA、ECAC-M进行了仿真实验,仿真结果表明改进后的协议在网络覆盖率和节能性能方面都优于LEACH协议。
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