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1、华中科技大学 硕士学位论文 传感器网络的节点调度与休眠算法研究 姓名：方亮 申请学位级别：硕士 专业：通信与信息系统 指导教师：朱光喜 20070531 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 在构建无线传感器网络时，网络覆盖是无线传感器网络的基本问题之一。 无线 传感器网络的覆盖控制问题，可以看作是在传感器网络节点能量、无线网络通信带 宽、网络计算处理能力等资源普遍受限情况下，通过网络传感器节点放置以及路由 选择等手段，最终使无线传感器网络的各种资源得到优化分配，进而使感知、监视、 传感、通信等各种服务质量得到改善。覆盖算
2、法设计的基本目标是能够在满足一定 冗余度的前提下实现更大区域的探测，从而获得更多的被探测目标的信息，同时由 于节点的能量是的限制，还必须考虑算法的复杂度和有效性，平衡总体能量消耗和 单个节点能量消耗之间的关系，以及节点的减少和添加对整个无线传感器网路节点 覆盖的影响等等。 本文首先介绍了无线传感器网络覆盖问题的研究现状和相关问题，并简要介绍 了传感器网络研究中涉及较多的 Delaunay 三角划分图的相关背景知识，其中重点介 绍了局部 Delaunay 三角划分图的构造方法，这是本文算法的理论基础。接着介绍了 覆盖问题中的节点调度算法，并对现有算法进行了比较和分析，在此基础上对虚拟 力算法进行
3、了改进，引入了两种新的虚拟力形式：随机扰力和临界外力，用于控制 传感器节点覆盖网络的扩散和收缩。实验结果表明，改进的算法在各项主要性能指 标上均优于现有算法。然后本文分析了传感器网络中的冗余节点休眠问题，提出了 一种基于局部 Delaunay 三角划分图的分布式冗余节点判别方法和节点多轮选举休眠 机制。实验结果表明，该方法能够有效的判别网络中的冗余节点；同时，通过多轮 选举机制，可以在保证原有覆盖的情况下休眠部分冗余节点，减少网络的能量消耗。 最后是全文总结和对无线传感器网络中覆盖问题的进一步研究方向进行了探讨 和展望。 关键词：关键词：无线传感器网络 覆盖 节点调度 冗余 休眠 三角划分 华
4、 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract During constructing the wireless sensor networks (WSN), network coverage is one of the basic items. The problem of coverage control can be treated as making the resource in WSN get optimization assignment so as the detecting, sense, monitor a
5、nd communication in QOS achieve improvement, using deployment of nodes, routing selection or other methods in constrain of the nodes energy, channel bandwidth and network processing capacity. The primary destination of coverage algorithm design is to sense larger area and get more information of tar
6、get with certain redundancy. At the same time, power of nodes is limited so that the complexity and validity of algorithm should be considered. In addition, design of coverage algorithm should consider the static and dynamic property of the whole network, including validity and connectivity of netwo
7、rk and reducing of nodes. This paper introduces the present reach on coverage algorithm of WSN and same related work at the beginning, such as Delaunay tessellation which widely used in WSN. Conformation of local Delaunay tessellation is introduced as important because it is the fundament of the alg
8、orithm. The third part of the paper introduces the node-scheduling in WSN and some issued methods are compared and analyzed. As fundament of this, it improves the potential field algorithm and introduces twos kinds of virtual force: random disturbance force and boundary force, which used to control
9、the diffusion and contraction of network. The experimental result shows that new virtual force can eliminate the center confusion which cause by issued algorithm. Nodes cover the destination evenly and energy consumption is less than other main node-scheduling methods. In the following, this paper i
10、ntroduces the dormancy problem of redundant nodes and proposes a distributed redundant node distinguish algorithm and rotated voting to shutdown algorithm based on local Delaunay tessellation. The experiment result shows that it can determine redundant nodes in the network effectively. At the same t
11、ime, the rotated voting to shutdown algorithm can shutdown the redundant nodes without reducing the initial coverage area and reduce power consumption. Finally, its the overall summarization of the paper and research expectation of coverage algorithm in wireless sensor networks. Keywords: wireless s
12、ensor networks (WSN) coverage node-scheduling redundant dormancy Delaunay tessellation 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留
13、、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪 论绪 论 1.1 引言引言 无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络
14、及无线通信技 术等多种先进技术。其主体是低成本、低功耗、多功能的集成化微型传感器。这些 微型传感器具有无线通信、数据采集和处理、协同合作的功能。无线传感器网络能 够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、探测和采集各种环境或监测对象 的信息，使用嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳 中继方式将所探测信息传送到用户终端，使用户完全掌握监测区域的情况并做出反 应。 无线传感器网络与传统的无线网络（如WLAN和蜂窝移动电话网络）有着不同 的设计目标，后者在高度移动的环境中通过优化路由和资源管理策略最大化带宽的 利用率，同时为用户提供一定的服务质量保证。在无线传感器网络中，除
15、了少数节 点需要移动以外，大部分节点都是静止的。因为它们通常运行在人无法接近的恶劣 甚至危险的远程环境中，能源无法替代，设计有效的策略延长网络的生命周期成为 无线传感器网络的核心问题。当然，从理论上讲，太阳能电池能持久地补给能源， 但工程实践中生产这种微型化的电池还有相当的难度。在无线传感器网络的研究初 期，人们一度认为成熟的Internet技术加上Ad-hoc路由机制对传感器网络的设计是足 够充分的，但深入的研究表明：传感器网络有着与传统网络明显不同的技术要求。 前者以数据为中心，后者以传输数据为目的。为了适应广泛的应用程序，传统网络 的设计遵循着“端到端”的边缘论思想，强调将一切与功能相关
16、的处理都放在网络 的端系统上，中间节点仅仅负责数据分组的转发，对于传感器网络，这未必是一种 合理的选择。一些为自组织的Ad-hoc网络设计的协议和算法未必适合传感器网络的 特点和应用的要求。节点标识（如地址等）的作用在传感器网络中就显得不是十分 重要，因为应用程序不怎么关心单节点上的信息；中间节点上与具体应用相关的数 据处理、融合和缓存也显得很有必要。在密集性的传感器网络中，相邻节点间的距 离非常短，低功耗的多跳通信模式节省功耗，同时增加了通信的隐蔽性，也避免了 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 长距离的无线通信易受外界噪声干扰的影响。这些独特的要求和制约因素为传感器 网络的研究提出了新的技术问题。 相对于传统无线网络，无线传感器网络具有一些明显的持征： （1）网络中的传感器节点数量
