无线传感网络中的功率控制研究

本科生毕业论文（设计）中文题目 无线传感网络中的功率控制研究英文题目 The Research of Power Control in WSN 学生姓名 旦增念扎 班级 18 学号 52111817 学 院 通信工程 专 业 通信工程 指导教师 聂新礼 职称 副教授 吉林大学学士学位论文（设计）承诺书本人郑重承诺：所呈交的学士学位毕业论文（设计） ，是本人在指导教师的指导下，独立进行实验、设计、调研等工作基础上取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的作品成果。对本人实验或设计中做出重要贡献的个人或集体，均已在文中以明确的方式注明。本人完全意识到本承诺书的法律结果由本人承担。学士学位论文（设计）作者签名：年 月 日摘要摘 要无线传感器网络因其广泛的应用范围，受到了国内外研究者的重视，成为了当今最炙手可热的研究方向之一.由于无线传感器网络中传感器节点一般依靠电池进行供电，存在能量受限的局限性，因此功率控制问题成为无线传感网络研究和设计中需要考虑的最重要的问题之一.功率控制的研究可以基于传送功率和跳数、控制负荷、路由协议、拥塞等方面进行。本文介绍了无线传感器网络的结构以及特点应用等，对无线传感器网络路由算法进行详细的分类。无线传感器网络中的功率控制路由算法，就是以功率控制技术为基础，适合在无线传感器网络环境中使用，并能够有效地降低节点平均能量消耗，延长网络正常使用寿命的一类路由算法。本文采用了一种基于判决门限的无线传感器网络 AODV 路由算法，在网络产生拥塞的时候，针对突发紧急事件设计 10%缓存预留区对紧急数据进行处理与传输，构建了一种基于拥塞预知的多径寻优路由策略，对于拥塞的产生进行详细的分析，达到拥塞预判，拥塞检测，最后给出解决拥塞的方法。关键词： 无线传感器网络 生存周期 路由协议 功率控制摘要ABSTRACTAbstractFor its wide range of applications, domestic and foreign researchers attention have been paid to wireless sensor networks and it has become one of todays hottest research directions. because the sensor nodes in wireless sensor networks generally rely on batteries for power, energy-constrained limitations exist. Therefore the power control issue has become one of the most important issues of wireless sensor network research and design consideration, the study may be based on power control transmit power and hops, load control, routing protocols, congestion and other aspects.This paper describes the structure and features of the applications of wireless sensor networks, and detailed classification has been completed for bewireless sensor network.routing algorithm.Networks routing and power control algorithm in wireless sensor is based on a power control technology and used in wireless sensor network environment, and can effectively reduce the average energy consumption of nodes and prolong the life of the network.This paper presents a wireless sensor network routing algorithm based on AODV decision threshold. When network congestion comes, 10% reserve buffer zone has been designed for unexpected emergencies,aimed at managing and transfer the emergency data,and a multipath routing optimization strategy has been proposed .The detailed analysis has been completed on topic of how the congestions accur,for the congestion prediction and check,and finally giving the methods to solve the problems.Keywords ：Wireless sensor networks Lifetime Routing protocol Power ControlABSTRACT目 录目 录第 1 章 绪论 .11.1 研究背景与意义 .11.2 国内外研究现状与趋势 .11.3 本文主要内容与组织结构 .2第 2 章 无线传感器网络的概述 .42.1 无线传感网络的体系结构 .42.2 无线传感网络的特点 .62.3 无线传感网络的关键技术 .72.4 无线传感网络的相关应用 .72.5 本章小结 .8第三章 无线传感器网络路由协议 .93.1 无线传感网络路由算法的分类 .93.2 功率控制路由算法 .133.3 一种基于判决门限的 AODV 路由算法 .133.4 本章小结 .21第 4 章 面向拥塞控制的分簇路由算法 .224.1 相关概念 .224.2 问题描述与算法模型 .234.3 算法思想 .254.4 本章小结 .30第 5 章 总结与展望 .315.1 总结 .315.2 展望 .31致 谢 .32参 考 文 献 .33第 1 章 绪论0第 1章 绪论1.1 研究背景与意义随着传感器网络技术地日趋完善其飞速发展，功能也在不断完善。起初传感器网络较为简单，只具有基本地数据传输和信息获取功能。 随着通讯技术、传感技术和嵌入式技术的日益成熟，使得传感器网络在世界范围内广泛地出现。并且随着技术地不断完善，传感器的能力变得更强、处理速度变得更快，并且体积变得更小了。目前，在军事国防、工业农业控制、城市管理、生物医疗、环境监测等方面广泛应用的无线传感器网络，被人们当做作研究热点并得到关注。无线传感器网络极可能在人类未来生活的很多方面产生影响，因此被认为是当代最重要的技术之一。在 WSN 中，感知节点的能量由电池供应，人们用交通工具等手段在需要感知的地方分别部署传感器节点，这些感知节点具有自组织性。通常状况下，传感器所处的环境相对恶劣，传感器网络想要在这样的环境中运行下去，是极其具有挑战性的一项任务。正因为处在这种环境中且它本身所携带的能量较少，要是个别节点因能耗而不能正常工作，整个网络的运转也将产生影响。如此一来，无线传感器的发展应该首先考虑能量的因素，更高效率的利用，让无线传感网在特殊的环境中生存。1.2 国内外研究现状与趋势所谓功率控制，一般是指在保证网络连通的前提下，兼顾网络延迟、通信干扰等其他性能，以此来延长网络生命周期。目前，对于功率控制的研究，国内外学者在探索尝试方面采用了不同的方法手段和思路策略，取得了一定价值的研究成果。为传感器节点选择合适的发射功率，下面对于功率控制研究的主流方向进行介绍。1. 与路由协议结合的功率控制：拓扑控制属于网络层是其基本的一个观点，路由协议与拓扑控制相结合是必要的。代表性的工作有 COWPOW 等，它的基本理论思想是，功率最小化的前提，是在全部的传感器节点使用一致的发射功率和网络连通的保证下完成的。在节点分布均匀的情况下，它的缺陷是显而易见的。2. 基于节点度的功率控制：在上限和下限的给定节点度上，非静态地调节发射功率节点，然节点度数的上升和下降落在上限和下限之间，是其基本思第 1 章 绪论1想。对于传感器节点，基于节点度的功率控制并没有很高的要求，基于节点度数的算法难于理论分析因其一般不能保证网络的连通性。代表算法有 LMA 和LMN 等。3. 基于方向的功率控制：在以节点为顶点的任意锥形区域内至少有一个邻居，并且确保给定角度，对于发射功率的选择是其基本思想。消除到达角度的问题极其重要，由于方向信息的可靠性是基于方向的算法的基础，于是需要多个有向天线配备在各个节点，对传感器节点提出了相当高的要求，代表算法有 CBTC 等。4. 基于邻近图的功率控制：各个节点以邻近图当中的最远邻接节点，以此确定发射功率是其基本思想，YG、MST、RNG 等是比较常见的几个邻近图模型。不具有精准的位置信息是基于邻近图的功率控制的最大不足。代表算法有 DRNG等。这些年，研究者关于传感器网络的功率控制研究做了不少工作，取得了相当大地成果，但距离稳定成熟的应用于各方面还为时尚早。因为，在理论上缺陷与不足的存在，在实践应用中存在较大的局限性，研究者们要对其还存留许多基础性问题以及关键技术改进，来使这个技术达到最佳效果： （1）对于全局网络公平性的确保，全局同一发射值功率控制是一个不错的方法。但是较低网络的连通性，通信链路的减少，并且影响消息传递的实时性都有可能因为低发射功率而产生；更强网络拓扑的连通，更少路由跳数都能由高发射功率实现，由此也会出现网络的竞争强度加大，通信传输能耗增加，网络容量降低。因此，在理论与实践中针对具体应用的要求，选取最好的统一发射功率值，在各项性能间求得平衡，都是极其困难的。（2）基于发射值分组级可变的功率控制的研究，其在理论上尽量减小网络冲突域会使网络的传输能耗降至最低。然而，一系列的不良影响在发射功率值不对称的情况下发生。比如说，网络隐藏站将产生严重的麻烦，冲突率的增添使得公平性也随之下降，影响网络的能力有效性、实时性等一系列性能。因此，理论与时间的难点是，如何将不良影响降至最低来改善不对称发射功率，并且平衡网络要求的各项性能，这也是挑战之一。（3）传感器网络中，多控制目标能够解决功率控制造成的对多项性能的影响。通常情况下，不存在一种协议或算法能够同时照顾所有应用目标的最佳性能要求。并且，矛盾存在于传感器网络中的有些应用目标中。譬如，能量有效性与实时性：首先连通性