無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋控制及路由若干技術(shù)研究.pdf

1、隨著半導(dǎo)體技術(shù)、微系統(tǒng)技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與分布式信號(hào)處理等技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了一種新型信息采集網(wǎng)絡(luò)—無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetworks，WSNs)的產(chǎn)生和迅速發(fā)展。WSNs由各類集成化的微型傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)同感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理區(qū)域中感知對(duì)象的數(shù)據(jù)，通過(guò)嵌入式系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過(guò)隨機(jī)自組織無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)將這些數(shù)據(jù)傳送給基站，最后通過(guò)互連網(wǎng)或衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)到達(dá)管理節(jié)點(diǎn)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)目前廣泛地應(yīng)用于國(guó)防

2、軍事、國(guó)家安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)和醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。
　　 路由協(xié)議作為傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一種重要支撐技術(shù)，直接關(guān)系到組網(wǎng)的質(zhì)量。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)、業(yè)務(wù)特點(diǎn)和應(yīng)用需求等方面與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)存在顯著差別，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議設(shè)計(jì)面臨一系列新的挑戰(zhàn)。本文對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的能量有效性問(wèn)題、多基站網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題和網(wǎng)絡(luò)最大生命期問(wèn)題進(jìn)行深入研究。覆蓋控制技術(shù)影響著無(wú)線傳感器路由設(shè)計(jì)，覆蓋控制問(wèn)題不僅包括單純的覆蓋含義，更是與節(jié)能路由、路徑規(guī)劃

3、和可靠通信等具體應(yīng)用緊密相連。本文主要對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)多跳路由和網(wǎng)絡(luò)覆蓋技術(shù)進(jìn)行研究，主要研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新如下:
　　 (1)量化了部署節(jié)點(diǎn)感知半徑、密度與面積覆蓋率、k重覆蓋的關(guān)系，以及覆蓋控制模型中，在保證節(jié)點(diǎn)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域有效覆蓋前提下，近似取得需要休眠節(jié)點(diǎn)數(shù)量。在節(jié)點(diǎn)呈泊松分布的網(wǎng)絡(luò)模型中，根據(jù)不同的區(qū)域覆蓋率，采用區(qū)域局部節(jié)點(diǎn)覆蓋率計(jì)算方式，在通信半徑和感知半徑不同情況下，考慮節(jié)點(diǎn)復(fù)雜重疊對(duì)覆蓋率的影響，適當(dāng)允許主動(dòng)覆蓋空洞

4、的出現(xiàn)，使得最少節(jié)點(diǎn)仍然可以達(dá)到非常接近設(shè)置值的覆蓋率。
　　 (2)提出了一種新的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)最大生命期數(shù)據(jù)聚合路由算法，根據(jù)聚合數(shù)據(jù)率權(quán)函數(shù)，建立以聚合數(shù)據(jù)率與系統(tǒng)吞吐量的關(guān)系模型，在滿足系統(tǒng)吞吐量下，在聚合數(shù)據(jù)率和網(wǎng)絡(luò)最大生命期之間建立一種平衡模型，通過(guò)采用聚合數(shù)據(jù)率候選采樣點(diǎn)樣本空間，在算法復(fù)雜度較低情況下，解空間收斂到網(wǎng)絡(luò)全局最優(yōu)值，最終在達(dá)到降低聚合數(shù)據(jù)率的同時(shí)，最大化網(wǎng)絡(luò)生命期。
　　 (3)提出了一種無(wú)

5、線傳感器網(wǎng)絡(luò)最大生命期和最大流路由算法，網(wǎng)絡(luò)最大生命期相當(dāng)于獲得網(wǎng)絡(luò)最大流，根據(jù)最大流最小割定理，網(wǎng)絡(luò)一定存在一個(gè)可行解滿足網(wǎng)絡(luò)最大流，在算法復(fù)雜度較低情況下，本文將網(wǎng)絡(luò)最大生命期問(wèn)題轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)最小歸一化負(fù)載問(wèn)題，不斷調(diào)整負(fù)載較重節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)壓力，最終建立一棵負(fù)載較輕的數(shù)據(jù)聚合樹(shù)，最終實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)生命期和數(shù)據(jù)流最大化。
　　 (4)提出了一種基于Anycast樹(shù)的無(wú)線傳感器多基站Anycast網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。將TCP/IP協(xié)議下的控

6、制數(shù)據(jù)包進(jìn)行簡(jiǎn)化，刪除了一些控制字段來(lái)適應(yīng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的需要。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)Anycast路由建立過(guò)程中，每個(gè)Sink節(jié)點(diǎn)建立一棵Anycast樹(shù)形鏈路，所有節(jié)點(diǎn)根據(jù)路徑代價(jià)模型選擇加入一棵樹(shù)。根據(jù)通信質(zhì)量要求，設(shè)置相應(yīng)的權(quán)值數(shù)據(jù)，選擇合適的節(jié)點(diǎn)作為父節(jié)點(diǎn)，最終形成一條最佳路由。
　　 (5)在Anycast通信模型基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，提出了K-Anycast通信模型來(lái)實(shí)現(xiàn)“一對(duì)多選多”的通信問(wèn)題。對(duì)多基站無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的最大