无线传感器网络量空洞避免策略研究.pdf

摘 要 无线传感器网络是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高 度集成的前沿热点研究领域，具有十分广阔的应用前景和实用价值，被认为是对 21世纪产生巨大影响力的技术之一。 无线传感器节点只配备有限的电源，往往工作在恶劣的环境，在目前的条件 下，通过提高电池容量和人工更换电池的方法来更新能源是不大可行的。因此， 能量是无线传感器网络中最稀有的资源，有效地提高能量效率以延长网络寿命是 无线传感器网络研究中的重要问题。而无线传感器网络数据收集的特性，使得传 感器网络往往会由于局部能量消耗的不均衡而形成“能量空洞现象，从而导致 网络失效。本文主要针对平面数据收集无线传感器网络的“能量空洞现象，分 别对节点发射功率可调的无线传感器网络、带缓冲区的节点非均匀部署的网络、 基于移动Sink的网络的能量空洞避免策略进行了深入研究，并提出一种非均匀部 署节点的方法来避免能量空洞的产生。研究内容和成果如下： (1)基于数据发送速率、能量消耗与数据收集延迟的相关性，提出了平面数 据收集无线传感器网络基于可调节点数据发送速率的能量空洞避免策略o． 通过理论分析得到了网络中不同区域数据转发量与发射半径，．之问的关系，从 而推导出网络不同区域间的能量消耗情况。通过让能量消耗低的节点以较高的数 据发送率，能量消耗高的节点保持较低的数据发送率发送数据，达到能量消耗均 匀且不增加延迟的目的。在此基础上，将原发往能量空洞区域节点的一部分数据 转而发往能量消耗较低的区域，均衡网络中节点间的数据承担量与能量消耗，进 一步提高网络寿命。数据仿真显示，该方法提高了网络寿命17．48％，降低网络延 迟34．76％，达到了较好的效果。 (2)针对平面数据收集网络，建立了能量消耗模型，提出一种理论上可使节 点能量消耗均匀的节点非均匀部署的“能量空洞’’避免策略。 采用微元分析方法，得到网络不同区域能量消耗的理论结果，从而给出节点 非均匀部署的密度曲线，按此密度曲线部署节点，理论上能均衡网络的能量消耗， 达到避免能量空洞的目的；仿真实验表明，该方法能使网络剩余能量降至20％以 下。 (3)针对Sink沿固定缓冲区移动的平面无线传感器数据收集网络。给出了缓 冲区位置的优化取值，以及节点不均匀部署的密度函数，可有效提高网络寿命。 采用微元分析方法，建立带缓冲区节点均匀分布网络的能量消耗模型，利用 II 该模型计算出每一缓冲区、每一发射半径所对应的能量消耗，从中取出网络总能 量消耗最小、网络寿命最长的缓冲区位置与对应的能量发射级别作为网络缓冲区 位置与节点发射半径，然后，按选定的缓冲区位置、发射级别计算各处的能量消 耗，并转换成部署节点的密度曲线，依此密度曲线部署的网络能均衡节点能量消 耗。 (4)针对不规则凸形网络中Sink移动问题，提出启发式算法来确定Sink的 移动位置，算法能够较好地避免能量空洞，提高网络寿命。 用微元分析法分析Sink位置固定时网络中任意节点的能量消耗，然后网格化 网络(将网络划分成许多足够小的网格)，计算出每个Sink位置对应的每个网格 的能量消耗。若Sink在某个位置收集k轮数据，则Sink的下一个位置如此选取： 每个网格当前已消耗的能量加上下一个位置k轮数据消耗能量，得到该位置下所 有网格的能量消耗，选取所有网格中最大的能量消耗值作为Sink在该位置网络的 能量消耗，使得网络能量消耗最小的位置，即为Sink的下一个位置。实验结果表 明，该方法比静止Sink的网络寿命提高5倍以上，比Sink沿网络边界移动的网 络寿命提高6％，网络死亡时其剩余能量降低20％以上。 关键词：无线传感器网络，网络寿命，能量空洞避免，移动Sink，可变发射功率。 Abstract focusedtheirattentionshotinternational Recentlypeople ona researchfrontier areathe一一Wirelesssensor isa and network(WSN)，whichmulti—disciplinar