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关于无线传感器网络节能的几个关键问题研究

张振江  
【摘要】: 无线传感器网络是一种新兴的网络技术,采用分布式处理,具有监测精度高、容错性能好、覆盖区域大、可远程监控等众多优点,在军事、交通、数字医疗等领域得到了广泛应用,因而引起了业界的广泛关注。但是由于无线传感器网络节点受到体积和成本等方面的限制,采用携带的电池,能量补充困难而且能量相对较少,这是目前无线传感器网络应用的“瓶颈”问题。因此,在保障监测任务的前提下,如何降低能耗,提高整个网络的生命周期是无线传感器网络的研究热点。 本论文针对无线传感器网络的节能问题,从冗余节点的运用、节点分布均匀性对能量管理的影响、基于节点梯次移动的节能路由和无线传感器网络管理等几个方面研究了无线传感器网络的节能问题,并提出了相应的解决方案。本论文的研究工作受到了国家自然科学基金项目(No.60572035)和通信与信息系统北京市重点实验室项目(No.JD100040513)的资助。论文的部分成果已经获得了国家发明专利的授权(专利号:ZL200610067188.7)。 论文的主要工作与创新点如下: 1.提出了基于冗余节点树的延长无线传感器网络生命周期的方法。其基本思想是在整个传感器网络的覆盖范围内,充分利用网络内冗余节点构建冗余节点树,使得簇内的冗余节点在为其对应的活动节点服务的同时,也能够为整个簇内的所有节点数据传输服务,从而提高节点的生命周期,延长整个无线传感器网络寿命。 2.提出了对无线传感器网络内节点分布均匀性的评价方法。该方法在均匀设计理论的基础上,以最理想布点为标准,采用最大最小空穴半径的均匀性度量方法,从密集性偏差和稀疏性偏差来评价整个无线传感器网络内节点分布的分布均匀性。 3.提出了一种新的基于节点均匀性的无线传感器网格移动部署算法。该算法依托网格划分,使节点在相邻网格间进行移动,尽可能使无线传感器网络节点在网络内分布均匀,相应的策略是使最大空穴半径与最小空穴半径无限接近,达到网络节能的目的。 4.提出了基于节点梯次移动的节能路由算法。该算法包括判断冗余节点算法、寻找瓶颈节点算法以及选择最佳节点移动路径算法。由于考虑了节点移动消耗能量、节点剩余能量和节点分布密度等因素,运用层次分析法,在多条件约束情况下找到最佳的移动节点和移动路径,形成节能的新路由,从而保证网络的正常工作,延长整个传感器网络的有效工作时间。 5.提出了一个通用的大规模(多种业务、多个地域、超大节点规模)的无线传感器网络的综合网络管理系统的分层模型。整个模型分为五层,从上到下依次为:综合管理层、业务管理层、网络代理管理层、网关节点管理层和普通节点管理层,具体功能除了计费管理、配置管理、性能管理、故障管理、安全管理外,还包括能量管理、感知管理、通信管理和策略管理四大功能,同时论文对该模型的可靠性进行了分析和仿真。 6.提出了一个通用大规模无线传感器网络管理系统与网关节点和其它网管的数据交换模型。在模型中定义了无线传感器网络的综合网络管理系统和网关节点以及其他网管系统间数据交换方法和接口标准。在对应的交换原语中,为了减小相互影响,实现最大限度的解耦,避免系统在交互过程中使用阻塞方式,该接口标准在实现上采用了异步消息的机制。


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