智能无线传感器网络中网络设计、路由和定位方法研究

【摘要】：随着科学技术的进步,智能无线传感器网络的应用前景广阔。无处不在的无线连接和多媒体应用的持续增长对无线传感器网络提出了更高的要求。特别地,在没有能源采集源的情况下,网络中节点的电池容量有限,无线传感器网络需要更高的能源效率。分簇网络设计和节能路由协议是无线传感器网络中提高能源效率的重要手段。分簇无线传感器网络是能量受限的网络,它与网络生命周期和吞吐量问题密不可分,通过簇头的最优选择来解决诸如“热点”之类的能量不平衡问题,在分簇网络设计中是一种合理的举措;频繁的重新分簇过程以及相应的路由变化会产生较大的消息广播开销,进而导致较高的能量消耗。为了解决上述问题,通过能量感知路由来最小化现有协议中的计算开销,有助于节省能耗,并最终使得网络整体性能最大化。本文研究了无线传感器网络中的分簇网络设计、能效分簇路由、吞吐率优化以及三维节点定位问题。本文的主要创新工作如下:(1)在无线传感器网络中,现有的网络性能优化技术需要进一步改进。为此,本文针对大规模无线传感器网络,提出一种混合分簇网络设计方法。该方法首先应用磁盘分区的思想,将大规模网络分成水波纹形状的分簇,并用功率调整技术来设计由基站初始化的同心层。然后,定义一个中枢区域来选择下一个最有可能的簇头,以解决重新分簇开销问题。最后,基于两个相邻簇之间的最大距离来确定最优分簇的大小和宽度。该方法提供了基于能量感知的簇头选择技术,改进了分簇设计,并减少了计算开销。仿真结果表明,该方法降低了能耗,减少了网络建立完成时间,改进了网络整体性能。(2)在电池供电的传感器网络中,节点寿命是关键问题。针对无线传感器网络中的同构与异构环境,提出了一种新的分布式节能分簇协议。在该协议中,通过考虑当前节点与其相邻节点之间的多个参数(包括残余能量、平均距离和节点密度),基于定时器值在每一轮中选择最有效的簇头。具体来讲,通过计算相邻节点间的平均距离来估计定时器值。基于该定时器值,每个节点将确定自身是否为该轮次的簇头。一个簇中具有最小定时器值的节点将被选择为该轮次的簇头。这样,使用该方法选择的簇头是该特定时间的最佳簇头。另外,对于负载管理,与位于更远处的簇头相比,位于基站附近的簇头规模更小。由于数据转发到基站,因此位于基站附近的簇头是主导节点,且其承载的负载与远离基站的簇头负载相似。仿真结果表明,在网络生命周期,网络连接和数据传输方面,所提出的协议比现有方案表现更好。(3)随机部署的传感器节点在基于分簇的无线传感器网络中通常生成大量数据。为了有效地利用数据,提出一种新的吞吐量优化协议。该协议主要聚焦于考虑能量的路由,并贡献于从网络部署到网络通信的不同网络阶段。具体地,在路径设置阶段,基于最小跳数值来选择下一跳的节点。在分簇形成阶段,在覆盖最大区域的特定传输范围内,以加入请求分组的形式,由所选择的簇头来广播簇头通告消息。进一步,用静态功率技术传输簇头,以减少拥塞并保持传输能量。所提出方法的局部化行为、最小化分组广播以及定制的主动路由,保留了无人值守部署节点的能量。仿真结果表明,在低密度和高密度场景下,该方案均提高了整体网络性能,最大化了吞吐量,并最大限度地减少了端到端延迟。(4)无线传感器网络中的定位方法主要使用基于无线信号强度指示值(RSSI)的方案,这对被动目标定位很有效。收发器距离和部署密度是影响定位的两个主要因素。本文提出一种基于RSSI测距模型策略的三维加权质心节点定位方法。该方法利用其后续失误可忽略的单个远程传感器,在室内和露天情况下跟踪客户的位置。在三维节点定位情况下,该方法不是用三个圆的交叉点来定位,而是使用了四个信标节点,对其几何结构进行三角化处理,以完成期望节点的三维定位。此外,用路径损耗指标的对数正态模型来确定RSSI值。最后,用最大似然估计完成定位,并对两种定位方法的定位误差进行了比较。实验结果表明,本文方法能够以较低的计算量和较少的传感器节点数实现较高的定位精度。