【摘要】：覆蓋率是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks, WSNs）獲取信息完整性和有效性的重要技術(shù)指標(biāo)，常用來(lái)描述網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量（Quality of Sevice,QoS）。由于傳感器節(jié)點(diǎn)能量受限且不易維護(hù)，往往通過(guò)密集部署來(lái)獲得較高的網(wǎng)絡(luò)覆蓋率和較長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)壽命。然而密集部署帶來(lái)的覆蓋冗余、信道沖突、網(wǎng)絡(luò)擁塞等問(wèn)題反而會(huì)浪費(fèi)大量不必要的能量，縮短網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。在保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋率的前提下，使網(wǎng)絡(luò)中的冗余節(jié)點(diǎn)輪流進(jìn)入低功耗的睡眠狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)調(diào)度算法被認(rèn)為是一種行之有效的節(jié)能措施。 現(xiàn)有的調(diào)度算法大都依賴于節(jié)點(diǎn)精確位置信息，而實(shí)際上由于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)眾多且通常被部署在復(fù)雜的環(huán)境中，為每個(gè)節(jié)點(diǎn)提供精確的位置信息并不經(jīng)濟(jì)可行。因此本文重點(diǎn)研究無(wú)需位置信息的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)調(diào)度算法，主要從無(wú)位置信息的節(jié)點(diǎn)冗余判斷問(wèn)題、調(diào)度過(guò)程中能量消耗的均衡性問(wèn)題、面向事件監(jiān)測(cè)時(shí)節(jié)點(diǎn)的調(diào)度問(wèn)題和容錯(cuò)問(wèn)題、以及無(wú)需精確位置信息的事件區(qū)域識(shí)別問(wèn)題等幾個(gè)方面展開(kāi)研究。論文的主要工作和貢獻(xiàn)總結(jié)如下： (1)提出一種無(wú)需位置信息的邊界節(jié)點(diǎn)識(shí)別算法和邊界節(jié)點(diǎn)的冗余判斷算法。針對(duì)邊界節(jié)點(diǎn)“不均等休眠”問(wèn)題而引起的監(jiān)測(cè)區(qū)域由邊界向中心收縮的現(xiàn)象，提出根據(jù)節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)目是否小于邊界節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)學(xué)期望值，在無(wú)位置信息的條件下判斷節(jié)點(diǎn)是否為邊界節(jié)點(diǎn)。并利用邊界節(jié)點(diǎn)的有效冗余覆蓋面積與有效感知面積之比來(lái)判斷節(jié)點(diǎn)是否冗余，該判斷方法可與多種調(diào)度算法相結(jié)合，具有良好的通用性。仿真結(jié)果表明本算法可有效緩解監(jiān)測(cè)區(qū)域由邊界向中心收縮的現(xiàn)象，在提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋率的前提下延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命11%，節(jié)約網(wǎng)絡(luò)能量7%以上。 (2)提出一種無(wú)需位置信息的能量均衡消耗的節(jié)點(diǎn)調(diào)度算法（EnergyConsumption Balanced Node-Scheduling Scheme, ECBS）。節(jié)點(diǎn)調(diào)度過(guò)程中存在的能量不均衡消耗，會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)中部分節(jié)點(diǎn)過(guò)早耗盡能量從而形成“覆蓋洞”，影響網(wǎng)絡(luò)的覆蓋質(zhì)量和數(shù)據(jù)通信，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)過(guò)早死亡。ECBS算法無(wú)需節(jié)點(diǎn)的位置信息，僅根據(jù)節(jié)點(diǎn)間的距離信息和鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)目來(lái)判斷節(jié)點(diǎn)是否需要休眠，在調(diào)度過(guò)程中盡量選擇剩余能量少的半跳鄰居節(jié)點(diǎn)休眠以均衡能量消耗，適用于節(jié)點(diǎn)隨機(jī)均勻分布的情況。仿真結(jié)果表明，該算法在滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋率需求的前提下，工作節(jié)點(diǎn)分布較為均勻，冗余覆蓋面積較少，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中能量方差不超過(guò)0.0001，網(wǎng)絡(luò)死亡時(shí)網(wǎng)絡(luò)中的剩余能量約為初始能量的17%，有效的延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)壽命。 (3)提出一種基于密度量化的節(jié)點(diǎn)非均勻分布策略以及適用于節(jié)點(diǎn)非均勻分布且能量均衡消耗的節(jié)點(diǎn)調(diào)度算法（Energy Balanced Non-uniform DistributionNode-Scheduling Algorithm，EBNDNS）。針對(duì)多跳通信網(wǎng)絡(luò)中會(huì)在Sink附近形成“能量空洞”從而使得網(wǎng)絡(luò)過(guò)早死亡的現(xiàn)象，提出一種簡(jiǎn)單可行的非均勻分布策略。將監(jiān)測(cè)區(qū)域劃分為若干子區(qū)域，并根據(jù)節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)通信中的大致能量消耗確定不同子區(qū)域的節(jié)點(diǎn)密度。仿真結(jié)果表明該分布策略能夠有效緩解Sink附近的“能量空洞”現(xiàn)象，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命1.68倍以上，且能同步提高網(wǎng)絡(luò)的覆蓋質(zhì)量。由于現(xiàn)有的節(jié)點(diǎn)調(diào)度算法大都基于節(jié)點(diǎn)均勻分布的理想模型，本文提出一種適用于節(jié)點(diǎn)非均勻分布的調(diào)度算法。EBNDNS算法利用節(jié)點(diǎn)間的距離信息，計(jì)算多個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)對(duì)單個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的冗余覆蓋的期望值，來(lái)判斷節(jié)點(diǎn)是否冗余，，并設(shè)定預(yù)休眠時(shí)間與剩余能量相關(guān)從而達(dá)到能量均衡的效果。仿真結(jié)果表明，EBNDNS算法不僅適用于節(jié)點(diǎn)非均勻分布，同樣適用于節(jié)點(diǎn)均勻分布，能量均衡效果和網(wǎng)絡(luò)壽命均優(yōu)于ECBS算法。 (4)提出一種基于事件監(jiān)測(cè)的可容錯(cuò)節(jié)點(diǎn)調(diào)度算法，以及一種無(wú)需節(jié)點(diǎn)精確位置信息的事件區(qū)域識(shí)別算法。由于單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的感知數(shù)據(jù)具有較高的不可靠性，本文提出利用事件發(fā)生時(shí)感知數(shù)據(jù)的空間相關(guān)性，由首先感知異常的節(jié)點(diǎn)激活若干鄰居節(jié)點(diǎn)并收集鄰居節(jié)點(diǎn)的感知數(shù)據(jù)，利用貝葉斯算法計(jì)算事件發(fā)生的聯(lián)合概率值，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行不同的調(diào)度從而達(dá)到容錯(cuò)的目的。本文設(shè)計(jì)了相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)調(diào)度算法和分簇路由算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明即使在傳感器的錯(cuò)誤率高達(dá)20%的時(shí)候，本算法也具有較高的事件識(shí)別率，且本算法可以動(dòng)態(tài)的適應(yīng)事件區(qū)域的擴(kuò)散和縮小。另外基于上述判斷結(jié)果的基礎(chǔ)上，在事件發(fā)生后，每個(gè)感知到事件的節(jié)點(diǎn)均可收集鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)計(jì)算出自己的聯(lián)合概率值，并將計(jì)算結(jié)果和自己錨節(jié)點(diǎn)的Id號(hào)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)控制中心。網(wǎng)絡(luò)控制中心結(jié)合錨節(jié)點(diǎn)的Voronoi圖可粗略預(yù)估出事件發(fā)生的區(qū)域。仿真結(jié)果表明預(yù)估出的多變形區(qū)域包含了實(shí)際事件發(fā)生區(qū)域的90%以上的面積。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TP212.9;TN929.5

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2295731