無線傳感器網(wǎng)絡能量高效組建關鍵技術的研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡通常是指由密布在感知區(qū)域內的大量傳感器節(jié)點組成的網(wǎng)絡。無線傳感器網(wǎng)絡的組建可不依賴于任何網(wǎng)絡基礎設施，它是一種無中心、分布式、多跳傳輸、自組織的無線通信網(wǎng)絡。由于其具有可快速部署、抗毀性強、監(jiān)測精度高、覆蓋區(qū)域大等特點，無線傳感器網(wǎng)絡技術已經成為當前信息領域的研究熱點之一。傳感器節(jié)點多采用電池進行供電，能量十分有限，因此如何高效利用傳感器節(jié)點的有限能量，盡可能的延長無線傳感器網(wǎng)絡的壽命成為無線傳感器網(wǎng)絡技術的基本研究目標。

2、針對這一研究目標，本文對能量高效的無線傳感器網(wǎng)絡組網(wǎng)技術中的幾個關鍵技術，包括地址分配技術、密度控制技術、拓撲控制技術和接入技術進行了研究，通過在其中使用節(jié)能技術，提高了無線傳感器網(wǎng)絡的能量效率，延長了網(wǎng)絡壽命。
　　傳感器節(jié)點的地址自動分配是實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡組建的前提和基礎。地址分配協(xié)議的效率對傳感器節(jié)點的能量消耗也有著一定的影響。為了方便傳感器網(wǎng)絡與Internet的互聯(lián)，考慮到 IPv6可以提供大量網(wǎng)絡地址，更符合無線傳感

3、器網(wǎng)絡要求地址數(shù)量較多的這個特點，本文為無線傳感器網(wǎng)絡提出了一種基于多代理的IPv6地址自動配置協(xié)議SNMAAP。通過在網(wǎng)絡中使用地址代理節(jié)點，不僅可以使節(jié)點在很短的時間內獲得可用地址，也大大降低了地址出現(xiàn)沖突的概率和網(wǎng)絡開銷。實驗結果表明在相同條件下SNMAAP協(xié)議不僅保證了IPv6地址的唯一分配，協(xié)議的開銷、延遲和重復檢測開銷也均較小。
　　在無線傳感器網(wǎng)絡中通常密布著大量傳感器節(jié)點。如果讓所有的傳感器節(jié)點都工作，不僅會出現(xiàn)大

4、量冗余信息，也會對網(wǎng)絡吞吐率、帶寬、時延、能量等造成很大影響，因此需要使用密度控制技術，在保證網(wǎng)絡覆蓋與網(wǎng)絡連通的前提下減少工作節(jié)點的數(shù)量。本文為無線傳感器網(wǎng)絡提出一種密度控制算法SNDC，通過使用此算法只要令盡量少的傳感器節(jié)點處于活躍工作狀態(tài)中，就可獲得對一個感知區(qū)域的連通的完全覆蓋。不活躍的傳感器可以關閉它們的感知模塊來節(jié)約能量。與其它算法不同，本算法不依賴于傳感器節(jié)點的精確位置信息或者距離信息。它只要求每個活躍的傳感器節(jié)點周期性的

5、發(fā)送三個不同傳輸距離的信標幀，傳感器節(jié)點可以由此決定是否保持活躍狀態(tài)或者不活躍狀態(tài)。此算法也是具有容錯性的，當任何活躍的傳感器節(jié)點因為能量耗盡或者出現(xiàn)故障而失效時，一個或多個不活躍的傳感器節(jié)點可以轉化為活躍節(jié)點來接管工作。在假設RC≥2RS的前提下，本文的算法可獲得接近最優(yōu)的連通覆蓋，其中RC為傳感器節(jié)點的通信半徑，RS為傳感器節(jié)點的感知半徑。
　　拓撲控制技術對無線傳感器網(wǎng)絡性能也有著直接的影響。本文在本地最小生成樹LMST算法

6、的基礎上，提出一種能量均衡的拓撲控制算法EBTCA。該算法在構建局部最小生成樹時不僅考慮了節(jié)點間的通信能耗，也考慮了節(jié)點剩余能量，從而既能使局部總能耗接近最小化，又獲得了節(jié)點能量平衡的效果，解決了網(wǎng)絡中“瓶頸”節(jié)點因負載過大較快死亡的問題，延長了節(jié)點的工作時間，進而延長了網(wǎng)絡的生命期。實驗結果表明 EBTCA算法在保證了較低的端到端時延、較高的吞吐量與投遞率等前提下，提高了網(wǎng)絡內生存節(jié)點的數(shù)量，有效地延長了網(wǎng)絡壽命。
　　當無線傳

7、感器網(wǎng)絡接入到 Internet中時，可以更好的發(fā)揮無線傳感器網(wǎng)絡的作用。傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡接入策略沒有對多 sink網(wǎng)絡環(huán)境中的sink節(jié)點進行負載平衡處理，也沒有考慮 sink節(jié)點一跳范圍內傳感器節(jié)點的負載平衡問題，這樣不僅會使接入延遲較大，也會大量消耗節(jié)點能量，縮短網(wǎng)絡接入時間。本文提出了一種在多 sink環(huán)境下的無線傳感器網(wǎng)絡接入策略 ELSIC，將 sink節(jié)點一跳范圍內的傳感器節(jié)點設置為代理節(jié)點，綜合考慮能量、延遲、距離等

8、因素，通過負載平衡策略，將無線傳感器網(wǎng)絡的接入負載分攤給每個代理節(jié)點和 sink節(jié)點，這樣既可減少接入延遲，又延長了網(wǎng)絡接入時間。仿真實驗結果表明在相同的條件下 ELSIC策略不僅實現(xiàn)了傳感器網(wǎng)絡與 Internet的數(shù)據(jù)接入，其接入延遲更小，節(jié)點工作時間更長，網(wǎng)絡接入時間更久，吞吐量也較高。
　　為了考察在組建無線傳感器網(wǎng)絡過程中綜合使用本文研究內容時的網(wǎng)絡性能和節(jié)能效果，本文對傳感器網(wǎng)絡的體系結構進行了分析與設計，并將此網(wǎng)絡于