無線傳感網(wǎng)絡(luò)配置問題研究.pdf

1、由大量的集成有傳感單元、信息處理單元和通信單元的無線傳感節(jié)點所組成的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，具有隱蔽性優(yōu)良、組網(wǎng)迅速、結(jié)構(gòu)靈活、分布范圍不易受自然條件限制、成本低廉、精度高、易擴展、體積小、規(guī)模大等等諸多優(yōu)點，因而其可以被廣泛應(yīng)用于軍事、環(huán)境、醫(yī)療衛(wèi)生、空間探索、農(nóng)業(yè)、智能家居等等人類生活的各個領(lǐng)域，在人類社會生活的各個方面均具有廣泛的應(yīng)用前景和重大的現(xiàn)實意義。但是，無線傳感網(wǎng)絡(luò)自身也存在著諸多問題與挑戰(zhàn)，諸如能量受限，存儲、計算、通信能力有限，

2、帶寬較低，實時性和可靠性較低等等。所以，研究人員需要充分考慮無線傳感網(wǎng)絡(luò)的各項特點，使之可以被更為高效、廣泛地應(yīng)用。正是因為無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有這諸多的特點和巨大的現(xiàn)實意義，關(guān)于無線傳感網(wǎng)絡(luò)各項技術(shù)的研究，如路由協(xié)議、MAC協(xié)議、拓撲控制技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)等的研究才如火如荼。
　　 但是，無線傳感網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有的各項研究大多是在無線傳感節(jié)點已經(jīng)部署完畢后進行的，有些研究甚至完全忽略了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，就直接對無線傳感網(wǎng)絡(luò)進行相關(guān)協(xié)議

3、的設(shè)計與處理，這實際上是忽視了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的可配置性對于無線傳感網(wǎng)絡(luò)性能的影響。實際上，無線傳感網(wǎng)絡(luò)所有應(yīng)用的第一步就是節(jié)點配置，當無線傳感節(jié)點被散布到監(jiān)測區(qū)域之后，我們可以利用節(jié)點的移動性，或者進行相關(guān)節(jié)點的添加等等方式，修繕整個無線傳感網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使無線傳感網(wǎng)絡(luò)的性能得到大幅提高，這就是本文所要研究的無線傳感網(wǎng)絡(luò)配置問題。
　　 事實上，配置是無線傳感網(wǎng)絡(luò)中各種應(yīng)用的基礎(chǔ)，因為只有當無線傳感節(jié)點經(jīng)過配置階段確定數(shù)目和位置

4、之后，才可以進行實際應(yīng)用和一些相關(guān)協(xié)議的設(shè)計與實現(xiàn)。故而，配置問題對于無線傳感網(wǎng)絡(luò)而言是相當重要的，在過去幾年中，出現(xiàn)了很多無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的配置算法。這些配置算法雖然針對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的連通性、覆蓋性、能耗、擁塞控制、存儲能力等問題進行了研究，但其大多存在這樣或者那樣的缺點，諸如：應(yīng)用背景適用性較差、假設(shè)過強、可擴展性差、計算與通信復雜度較高等特點。針對這一現(xiàn)狀，我們在對配置問題進行了廣泛的調(diào)研和研究的基礎(chǔ)上，針對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的傳輸可靠性

5、較差，能量有限，存儲和計算能力有限，現(xiàn)有配置算法缺乏對無線傳感節(jié)點移動性的深入研究等問題，提出了一些相關(guān)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)配置算法。
　　 首先，針對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸可靠性較差的問題，本文研究了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的可靠中繼節(jié)點配置問題，其目標是使用最少數(shù)目的中繼節(jié)點以保證整個無線傳感網(wǎng)絡(luò)的可靠性。本文提出了一種基于集合覆蓋的迭代算法，并且分別研究了單層無線傳感網(wǎng)絡(luò)和兩層無線傳感網(wǎng)絡(luò)下的可靠中繼節(jié)點配置問題。同時，我們還證明了本文提出

6、的單層無線傳感網(wǎng)絡(luò)的可靠中繼節(jié)點配置算法與最優(yōu)配置的最差性能比為(1+[√2D-2r/2R])(lnn-lnlnn+Θ(1))，而兩層無線傳感網(wǎng)絡(luò)的可靠中繼節(jié)點配置算法的最差性能比為(1+[√2D/2R])(lnn-lnlnn+Θ(1))，其中D為感知區(qū)域直徑，n為初始無線傳感節(jié)點數(shù)目，R＞r＞0分別為中繼節(jié)點和傳感節(jié)點的通信半徑。
　　 其次，針對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的能量有限的問題，本文研究了面向無線傳感網(wǎng)絡(luò)最大生命周期保證的中繼節(jié)

7、點配置算法。網(wǎng)絡(luò)的生命周期，是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的最重要的研究問題之一。本文通過分析網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對網(wǎng)絡(luò)生命期造成的影響，研究了無線傳感節(jié)點位置和數(shù)目與網(wǎng)絡(luò)生命周期的關(guān)系，設(shè)計了相應(yīng)的配置算法來保證無線傳感網(wǎng)絡(luò)的生命周期。算法首先放置一定數(shù)目的無線傳感節(jié)點使整個網(wǎng)絡(luò)連通，滿足無線傳感網(wǎng)絡(luò)的基本要求，然后通過選擇合適的節(jié)點位置進行冗余配置，保證整個無線傳感網(wǎng)絡(luò)的生命周期達到最長。
　　 然后，針對無線傳感網(wǎng)絡(luò)存儲和計算能力有限的問題，本文研究

8、了無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的存儲節(jié)點配置問題。算法通過在無線傳感網(wǎng)絡(luò)放置一定數(shù)目的存儲節(jié)點來存儲臨近節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，以減輕網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸量。本文首先對存儲節(jié)點配置問題進行規(guī)約，在這一過程中修正了已有算法在能量模型定義上的不足，并證明無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的存儲節(jié)點配置是NP-hard問題；接著文章提出了一個基于反向貪心策略的近似算法，并且證明了其最壞情況下的性能比為O(log n)，其中n為網(wǎng)絡(luò)中的傳感節(jié)點數(shù)目。
　　 最后，針對現(xiàn)有配置算法缺

9、乏對無線傳感節(jié)點移動性進行深入研究的問題，本文研究了無線傳感網(wǎng)絡(luò)中移動節(jié)點配置問題，關(guān)注于移動節(jié)點密度與動態(tài)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的掃描覆蓋度之間的理論關(guān)系。在移動無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，其實并不需要對感知區(qū)域中的每個點進行持續(xù)監(jiān)測，對其中的每個點進行周期性監(jiān)測已經(jīng)足以滿足大部分應(yīng)用的需求，這一新型的覆蓋模式被稱之為掃描覆蓋，其可以節(jié)省大量的無線傳感節(jié)點。在本文中，我們首先探討了移動傳感網(wǎng)絡(luò)中的t-掃描覆蓋問題，并給出形式化定義，然后分析在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中