面向节能的无线传感器网络覆盖算法研究.pdf

湖南大学
硕士学位论文
面向节能的无线传感器网络覆盖算法研究
姓名:刘潇
申请学位级别:硕士
专业:软件工程
指导教师:张锦;焦海星
20100423
摘要由于在诸多领域具有广泛应用价值和自身的独特优势,无线传感器网络在国内外备受关注。无线传感器网络是一种由大量的集成传感器、数据处理单元和短距离无线通讯模块的节点组成的以数据为中心的无线自组网络,其目的是协作感知、采集和处理网络覆盖区中各种环境或监测对象的信息,并发送给用户。无线传感器网络在军事、环境科学、医疗健康等领域都有着广阔应用前景,但由于其涉及多个学科和领域,存在着一些亟待解决的问题。无线传感器网络能否有效覆盖被监测区域是基础性研究问题之一。针对该问题,本文研究了无线传感器网络中的节点覆盖问题,考虑到节点能源有限的特点,本文着重考虑传感器网络中节能覆盖问题。论文首先综述了目前国内外无线传感器网络覆盖的相关研究进展,并对其进行了分类,进而针对各类算法中的典型覆盖算法进行了研究,分析总结各种算法的优缺点。然后,采用几何的方法,将节点部署区域简化为矩阵形式,提出了基于矩阵的传感器网络覆盖算法。算法在每个矩阵点上部署一个传感器节点,尝试删除每一个节点并评价区域是否保持覆盖,从而找出休眠节点,并休眠冗余节点。为了有效评估算法性能,本文提出了能耗率和覆盖率两个指标对算法性能进行了分析。实验结果表明,提出算法的覆盖率比普通圆周覆盖覆盖算法更高,并能有效节约节点能量。考虑到传感器网络的随机部署特点,本文提出了一种节能的自调节圆周覆盖算法。算法基本思想是,基于圆周覆盖算法,在保证网络覆盖的前提下,通过休眠冗余节点提高网络生存时间。模拟实验结果表明,在覆盖率性能方面与圆周覆盖算法类似,但能有效节约节点能量,延长网络生存时间。前述覆盖算法都依赖于⒂邢蛱煜叩然∩枋┗蚨ㄎ换疲允菇诘慊得其地理位置信息。为了进一步降低节点使用成本,本文提出了一种与节点位置无关的基于剩余能量的节点覆盖算法。在该算法中,节点与邻居节点通过交换信息和能量大小竞选工作节点,能量最大的节点保持工作状态,其他节点关闭休眠。模拟实验结果表明,该算法具有高质量的覆盖率和良好的能耗节约率。关键词:无线传感器网络;节能覆盖;矩阵;自调节;剩余能量面向节能的无线传感器网络覆盖算法研究
,..,,甴衑瑃瓸,..,,,:.琧,...·.￡.。,
—.—琧,,,;;;面向节能的无线传感器网络覆盖算法研究’
插图索引无线传感器网络工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..传感器节点组成结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯网络中出现盲点示意图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..连通传感器覆盖的贪婪算法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯基于矩阵覆盖算法网络模型示意图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.区域完全覆盖示意图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.休眠状态函数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一退出状态函数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一基于矩阵算法模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯传感器网络覆盖模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯自调节圆周覆盖模型示意图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.节点被全覆盖伪代码⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一判断冗余节点伪代码⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯部署节点个数与覆盖率的变化图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..部署节点个数与覆盖率的变化图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.部署节点个数与能耗节约率的变化图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯渴鸾诘愀鍪肽芎慕谠悸实谋浠肌算法每一轮的伪代码描述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯部署节点数与覆盖率的关系图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.总剩余能量与运行轮次的关系图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.点覆盖示意图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯..区域覆盖⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯己虳切问疽馔肌侦听状态函数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.活跃状态函数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯部署节点的传感半径与能耗节约率的变化图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯大区域覆盖率比较⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.∏蚋哺锹时冉稀判断冗余节点示意图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯节点分布图婊诘阕苁存活节点数与运行轮次的关系图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图面向节能的无线传感器网络覆盖算法研究
插表索引表模