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1、上海交通大学 硕士学位论文 无线传感器网络生命期最优化 姓名：廖梦泽 申请学位级别：硕士 专业：通信与信息系统 指导教师：杨宇航 20071201 摘 要 第 I 页 无线传感器网路生命期最优化 摘 要 无线传感网络是由信息获取（传感） 、信息传输与信息处理三大子领域 技术相互融合的产物。它通过集成化的微型传感器之间地协作，将实时监 测、感知和采集的各种环境信息交由嵌入式系统进行处理，最后通过随机 自组织无线通信网络以多跳中继方式将信息传送到终端用户， 从而实现 “无 处不在的计算”理念。然而，无线传感器网络的出现既是机遇，也给研究 它的人们带来了新的挑战。无线传感器网络采用电池供电，并且更换
2、电池 和再次充电的不可行性，使其能量问题尤为突出。因此如何延长传感器网 络的生命期成为了一个热点问题。不少学者都相继提出了自己的优化模型 和算法。还有的学者突破传统网络分层的思想，使用跨层优化的方法来延 长网络生命期。 在本文中，作者首先分析了现有的基于网络分层协议的优化模型和方 法，重点介绍了基于物理层、数据链路层和网络层的一些研究成果。之后 分析比较了能量受限的联合物理层、MAC 层、网络层的跨层优化算法和基 于可靠传输的跨层优化算法。 根据无线传感器网络节点冗余性和网络连通性，对现有的无线传感器 网络生命期定义提出了质疑，并论证了其不合理性。在此基础上，本文提 摘 要 第 II 页 出了
3、新的网络生命期定义：无线传感器网络的生命期等于网络中第一个因 为能量耗尽而失效的关节点的生命期。这个定义的基础上，对无线传感器 网络进行分析，建立无线传感器网络生命期的跨层（物理层、数据链路层、 网络层）优化数学模型。由于该模型是一个动态优化问题，在数学上难于 求解。为此，我们又提出了广义关节点集的概念，并对该模型进行了必要 的推导和证明。之后给出了基于循环的算法求解该数学模型。最后通过 LINGO 求解该数学模型，得到跨层优化的调度策略和无线传感器网络的生 命期。数学模型的计算结果表明，相比于传统优化算法，本文提出的算法 进一步延长了网络生命期。 关键词：无线传感器网络，生命期，跨层优化，最
4、优化 ABSTRACT 第 III 页 LIFETIME OPTIMIZATION IN WIRELESS SENSOR NETWORK ABSTRACT Wireless sensor network is the combination of information collection, transmission and processing. Wireless sensor network combined the sensor technology, embedded technology, wireless communication, and distributed inform
5、ation processing and micro-electro-mechanism system. It can monitor environment and collect information in real time with all kinds of integrated micro-sensor. Then it would process the collected information by embedded unit and finally transport it to terminal user by multi-hop wireless ad hoc netw
6、ork which constructed randomly. So the conception of the omnipresent computing constructed. However, new incoming problem followed with the birth of the wireless sensor network. As known that the sensor network relies on the battery for it power. And it is impossible for recharging and replacing the
7、 battery in sensor. Therefore, the problem how to maximize lifetime of wireless sensor network attracted researchers attention. They proposed their optimization model and cross-layer strategy. ABSTRACT 第 IV 页 In the article, author firstly analyzes current layer-based optimal methods for wireless se
8、nsor network and laid emphasis on the physical, link and routing optimization. Then we compare the strategy of cross-layer optimization and layer optimization. According to the analysis and summary of the current lifetime optimization in wireless sensor network, the article redefines the lifetime of
9、 wireless sensor network: lifetime is the time that one of the articulation nodes runs out of energy. Then by analyzing the character of the wireless sensor network, we built the system model and bring forward the cross-layer design for revolving-based lifetime optimization in wireless sensor networ
10、k (joint routing, physical and link layer). However, we found that the optimal problem is dynamic and hard to be computed. So we define the general set of articulation nodes and make some essential deduction for the optimal problem in order to make it mathematically feasible. Finally, we calculate t
11、he optimization problem and found that our algorithm prolong the network lifetime in some extent. KEY WORDS: wireless sensor network, lifetime, cross-layer, optimization 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文 的研究做出重
12、要贡献的个人和集体，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 ： 廖 梦 泽 日期：2008 年 1 月 15 日 上海交通大学上海交通大学 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、使用学位论文的规定， 同意学校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。 本人授权上海交通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。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 不保密
13、。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名：廖梦泽 指导教师签名：杨宇航 日期：2008 年 1 月 15 日 日期：2008 年 1 月 15 日 第一章 绪论 第 1 页 第一章 绪论 1.1 无线传感器技术 众所周知，科技发展日新月异。随着互联网的普及和应用，人类已经置身于信 息时代。而作为信息获取最重要和最基本的技术传感器技术，也得到了极大的 发展。传感器信息获取技术已经从过去的单一化渐渐向集成化、微型化和网络化方 向发展，并带来了一场信息革命。与此同时，无线通信技术、数字信号处理的高速 发展和日趋完善，为信息处理和传输为基础的无线通信网络提供了有力的技术支持。 无线传感器网络(
14、Wireless Sensor Network, WSN)在传感器和无线通信网络两大技术 的推动下逐渐成熟。其实，早在上世纪 70 年代，就出现了利用传统传感器进行点对 点传输，将传感器信息经传感控制器转换成多种逻辑形态以控制传感器系统，最终 通过连接这些传感控制器而构成传感器网络的雏形，人们把它称之为第一代传感器 网络。随着相关领域的不断发展和科技的进步，传感器网络具备了获取多种信息的 综合处理能力，并通过与传感控制器的联接，组成了有信息综合和处理能力的传感 器网络，它被称之为第二代传感器网络。而从上世纪末开始，现场总线技术开始应 用于传感器网络，人们用其组建智能化传感器网络，大量多功能传感
15、器被运用，并 使用无线技术连接，无线传感器网络逐渐形成。 无线传感器网络是新一代的传感器网络，具有非常广泛的应用前景，其发展和 应用，将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。在 2003 年 2 月份的美国 技术评论杂志评出对世界产生深远影响的十大新兴技术中，无线传感器网络被 列为第一1。 商业周刊预测的未来四大新技术中2，无线传感器网络也列入其中。 未来科学家预言无线传感器将引发新的信息革命，这预示着未来到处是以电池为电 源的无线传感器网络，这些传感器可监控环境、机器甚至人类自己。许多发达国家 第一章 绪论 第 2 页 如美国，非常重视无线传感器网络的发展。IEEE 正在努力推进无线传
16、感器网络的应 用和发展，波士顿大学(Boston Unversity)还于最近创办了传感器网络协会(Sensor Network Consortium)， 期望能促进传感器联网技术开发。 该协会中的其它成员还包括 BP、 霍尼韦尔(Honeywell)、 Inetco Systems、 Invensys、 L-3 Communications、 Millennial Net、Radianse、Sensicast Systems 及 Textron Systems。可以预计，无线传感器网络的 广泛应用是一种必然趋势，它的出现将给人类社会带来极大的变革3。 无线传感器网络是一种独立出现的网络，它的基本组成单位是无线传感器节点。 无线传感器节点一般由传感器、微处理器、无线接口和电源管理四个主要模块组成。 除此之外，根据具体
