（计算机系统结构专业论文）无线传感器网络中能量平衡方法研究.pdf

r e s e a r c ho n e n e r g yb a l a n c i n g i n w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s at h e s i s s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t f o rt h em s d e g r e ei nc o m p u t e rs c i e n c e b y y a 0j u a n p o s t g r a d u a t ep r o g r a m d e p a r t m e n t o fc o m p u t e rs c i e n c e c e n t r a lc h i n an o r m a lu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r ：z h a oe r d u n a c a d e m i ct i t l e ：a s s o c i a t ep r o f e s s o r s i g n a t u r e幽纵 a p p r o v e d a p r i l 2 0 1 1 5 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。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。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：寸妒娟日期：力，7 年占月f 日 学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解华中师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华中师范大学。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，允许学位论文被查阅和借阅； 学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手 段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 j 作者签名：由渺矗习导师签名：舭矿1 日期：沙71 年| 月1 日日期：扫1 1 年6 月f 日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程”，同意将本人的 学位论文提交“c a l l s 高校学位论文全文数据库 中全文发布，并可按“章程”中的 规定享受相关权益。圃意诠塞理变压澄厦! 旦圭生；旦二生l 旦三生筮查! 作者签名：批娟导师签名：素乏王豪l 日期：知7 f 年i r 月 f 日 日期：厶纠年6 月f 日 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 摘要 无线传感器网络是一种特殊的a dh o c 网络，它综合了现代网络无线通信技术、 嵌入式计算技术、分布式信息处理技术、传感器技术等先进技术，有着十分广阔的 应用前景，是目前网络通信领域的研究热点之一。随着传感器的广泛应用，其本身 能量的有限性局限了其应用的范围。在传感器网络中，由于每个传感器节点转发数 据消耗的能量不同，就会造成特殊区域节点过早死亡，形成“热点区域 。该区域 的节点由于要转发相对比较多的信息，能量快速耗完，严重制约了无线传感器网络 的能量利用率，缩短了其生命周期。针对能耗的不均匀性，本文以理论算法研究和 仿真实验为手段，从平衡节点能量消耗出发，通过平衡网络区域节点转发信息的能 量负荷，到达延长网络生命周期和提高网络能量消耗率；并对移动传感器网络的节 点调度策略进行研究，提出了一种新的移动节点调度算法，实现网络能量密度的均 衡。 本文的主要研究内容如下： 1 对当前典型的传感器网络能量消耗平衡策略进行介绍，重点分析和比较了基 于静态传感器网络能量消耗平衡策略和基于移动传感器网络能量消耗平衡策略，各 自的能量模型和网络模型。 2 通过以上策略的启发，提出混合多跳策略来实现静态传感器网络的能量消耗 平衡。设计了混合多跳策略中单跳和多跳的比率及其能量和网络模型，并通过仿真 分析在混合多跳策略下传感器网络能量消耗量与传感器结点个数以及感应半径的 关系。 3 通过分析混合跳策略的局限性，提出通过移动传感器网络中节点移动的能 量平衡算法。该算法通过计算每个传感器节点所在位置区域能量强度和能量密度， 以此来选择候选移动节点；定义格点之间能量差平均的归一化值来作为网络的能量 平衡指标；移动候选节点通过使用中心角极坐标检测能量漏洞，并推导出漏洞产生 的条件及其相应情况下的漏洞面积；设计出能量分布平衡的节点移动算法来改善网 络的能量覆盖。通过仿真测试得出，能量分布平衡的节点移动算法有效地提高了网 络的能量覆盖水平，有效延长了网络的生命周期。实现了设计的预定目标。 关键词：无线传感器网络；能量消耗平衡；混合多跳；能量漏洞；平衡指标 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s a b s t r a c t w i r e l e s ss e n s o r sn e t w o r k ( w s n s ) i sa s p e c i a la d h o cn e t w o r k s ，i ts y n t h e s i z em o d e m n e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , d i s t r i b u t e di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ，a n de m b e d d e d c o m p u t i n gt e c h n o l o g ya n dt h e s e n s o rt e c h n o l o g y i th a sap r o m i s i n ga p p l i c a t i o np r o s p e c t i nv a r i o u sf i e l d sa n dh a sb e e nan e wh o tr e s e a r c ht o p i ci nr e c e n ty e a r s w i t hw i d e a p p l i c a t i o no fw s n s ，i t se n e r g yf i n i t u d er e s t r i c t st h es c o p eo fi t sa p p l i c a t i o n i ns e n s o r n e t w o r k s ，i ft h en o d ee n e r g yc o n s u m p t i o ni su n e v e n ，w s n sw i l lf o r mt h e ”h o ts p o t s ” b e c a u s eo fs e n d i n ga n dr e c e i v i n gd a t af r e q u e n t l y , t h en o d e ( h o tn o d e s ) o ft h i sa r e ad r i e d u pq u i c k l y s oi t s h o r t e n e dt h el i f eo fw s n ss e r i o u s l y a i m i n ga tt h e p r o b l e mo f u n b a l a n c e de n e r g yd i s t r i b u t i o n ，i nt h i sd i s s e r t a t i o nw em a i n l yp l a nt op r o l o n gt h el i f eo f s e n s o rn e t w o r k sa n di m p r o v et h ew o r k i n gp e r f o r m a n c eo fs e n s o rn e t w o r k sb yb a l a n c i n g t h ee n e r g yc o n s u m p t i o ni n s t a t i cn e t w o r k sa n db yb a l a n c i n gt h ee n e r g yd i s t r i b u t i o ni n m o b i l es e n s o rn e t w o r k s t w op o l i c i e sa r e p r e s e n t e da n dt h er e s u l t sa r eg i v e nb y t h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n ds i m u l a t i o nw a y s t h em a i nw o r k sa r ea l lf o l l o w s ： 1 t h ec u r r e n tt y p i c a lb a l a n c i n ge n e r g yc o n s u m p t i o ns t r a t e g i e sa r ei n t r o d u c e d t h e r e l a t e de n e r g yb a l a n c i n gc o n s u m p t i o ns t r a t e g i e sa r ea n a l y s i z e da n dc o m p a r e df o rt h e s t a t i cs e n s o rn e t w o r k sa n dm o b i l es e n s o rn e t w o r k s ，i n c l u d i n gt h ee n e r g ym o d e l sa n d n e t w o r km o d e l s 2 t h r o u g ht h ea b o v es t r a t e g i e so fi n s p i r a t i o n ，w ep r o p o s eas c h e m ec a l l e dm i x e d m u l - h o p ss t r a t e g yt ob a l a n c i n ge n e r g yc o n s u m p t i o ni nt h es t a t i cs e n s o rn e t w o r k t h e s c h e m ec o m b i n e dt h em u l t i h o ps c h e m e 、析t ht h es i n g l eh o p sf o rv a r i o u sn o d e s w eg i v e t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h er a t eo f e n e r g yc o n s u m p t i o na n ds e n s o rn o d en u m b e r , a sw e l l a st h er a t eo fe n e r g yc o n s u m p t i o na n dt h es e n s o rr a d i u sb ys i m u l a t i o n 3 b ya n a l y z i n gt h el i m i t a t i o no f m i x e dm u l t i - h o p ss t r a t e g y , w ep r o p o s e dab a l a n c i n g e n e r g yc o n s u m p t i o ns t r a t e g yi nm o b i l es e n s o rn e t w o r k s t h r o u g hc a l c u l a t i n ge n e r g y d e n s i t yo fe a c hs e n s o rn o d e ，t h em o v a b l ec a n d i d a t en o d e sa r es e l e c t e d t h e nw ed e t e c t e n e r g yh o l e sb yg e o m e t r i cw a ya n dp r o p o s eam o b i l ea l g o r i t h mf o rm o v a b l ec a n d i d a t e n o d e b yi n t r o d u c i n gae n e r g yd i s t r i b u t i o nb a l a n c ei n d e xc a l l e dg i n ii n d e x ，w ee v a l u a t e t h en e t w o r ke n e r g yb a l a n c i n gp e r f o r m a n c eb ys i m u l a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h ea l g o r i t h mc a na c h i e v et h eb a l a n c e de n e r g yc o v e r a g ev e r yw e l l t h e r e f o r ea l o n g l i f et i m eq u a l i t yc a nb eg a i n e da n dt h er e q u i r e m e n t so ft h ed e s i g no b j e c t i v ec a nb em e t k e y w o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ( w s n s ) ；e n e r g yc o n s u m p t i o nb a l a n c e ；m i x e d m u l t i h o p ；e n e r g yh o l e ；b a l a n c ei n d e x i i 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 无线传感器网络的应用背景及研究目标1 1 1 1 无线传感器网络概述1 1 1 2 无线传感器网络的特点1 1 1 3 无线传感器网络的应用领域3 1 1 4 目前无线传感器网络研究的热点问题4 1 1 5 无线传感器网络的能量平衡问题5 1 2 本文的主要工作及组织结构6 1 3 章节安排7 第二章无线传感器网络能量平衡的相关研究8 2 1w s n s 中的能量平衡研究背景8 2 1 1w s n s 中的能量平衡的网络模型9 2 1 2w s n s 中的能量平衡的能量模型1 3 2 2w s n s 中的能量平衡的现有工作1 4 2 3 研究课题意义1 5 2 4 本章小结1 5 第三章簇内的能量平衡消耗的传输方案1 6 3 1w s n s 中数据传输的能量平衡1 6 3 2 能量模型和网络模型1 6 3 2 1 能量模型1 7 3 2 2 网络模型1 8 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 3 3 能量平衡传输方案的分析1 9 3 3 1 能量平衡传输方案1 9 3 3 2 能量平衡方案的分析1 9 3 4 仿真分析2 1 3 5 本章小结2 2 第四章移动传感器网络中能量平衡的节点移动算法2 4 4 1 网络模型2 4 4 2 网络能量平衡移动算法2 6 4 2 1 候选移动节点的选择2 6 4 2 2 网络能量平衡指标的计算2 6 4 2 3 能量漏洞的检测2 7 4 2 4 能量漏洞的面积2 8 4 2 5 能量分布平衡的节点移动算法3 0 4 3 仿真分析3 2 4 4 本章小结3 4 第五章总结3 5 参考文献3 7 在校期间发表的论文、参加的科研项目4 1 在校期间发表论文4 1 参加的科研项目4 1 致谢4 2 ：! 硕士学位论丈 m a s t e r st h e s i s 第一章绪论 1 1 无线传感器网络的应用背景及研究目标 1 1 1 无线传感器网络概述 近年来，随着因特网的迅猛发展和广泛应用，信息技术得到飞速的发展。作为 获取信息最重要的技术一传感器技术，得到蓬勃发展。通常，无线传感器网络是由 很若干个用于遥感目标环境的传感器组成的，这些传感器可以转发数据给基站( b c ) 和彼此之间进行信息数据交流。 无线传感器网络是特殊的a dh o e 网络，它通过微型传感器感知、监测和采集 各环境下的网络分布区域内的信息或监测对象的信息，再利用无线的方式发送信 息，在发送过程中采用相应的路由协议将信息传输给指定的目标终端，从而实现各 个领域的联通，例如，传感器中的传感单元通过监测周边区域的红外、地震波、雷 达和声纳信号，探测出湿度、光强度、物体大小和方向等众多现象。而在通信方式 上，通过采用通讯、红外、电波等方式，而研究发现低功率的短距离无线通信传输 技术更适合传感器网络，一般称为无线传感器网络( w s n s ) 。由于自身能耗低、成本 低、容错高、抗毁灭性强，无线传感器网络常用于军事、教育、工农业、交通、城 市环境管理、抢险救灾、生物医疗等领域，引起了国内外众多专家学者的高度重视， 无线传感器网络方面的研究也日益热门起来。 无线传感器网络一般是由若干个可移动的传感器节点通过无线网络方式构成 的分布式网络。在无线传感器网络中，移动节点均具有感知、通讯、移动和计算能 力，而传感器节点移动能力使无线传感器网络有别于其他分布式网络，移动节点 根据自身任务或条件的改变，使其所在的传感器网络拥有自动部署和协作能力。 1 1 2 无线传感器网络的特点 1 大规模网络 为了能获取准确的信息，大量的传感器节点常被部署在监测区域，而其部署节 点的数量可以达到成百上千，甚至于更多。为了使获得信息的信噪比更大，节点通 常要从不同空间视角进行监测；为了使信息监测更为精准，节点一般都分布式处理 的方式来降低对每个节点的精度标准；而由于存在大量的冗余节点，致使系统存在 高容错性；数目庞大的节点使监测区域得覆盖率大为增大，从而达到减少漏洞的产 硕士学位论丈 m a s t e r st i i e s i s 生。 2 自组织网络 在应用无线传感器网络时，传感器节点被随意放置在缺乏基础设施的区域。所 以节点位置被精确设定的可能性很少。同样的节点周围的邻居关系也不可能预先获 知，如在大片的原始森林中随意撒播大量传感器，或在其他比较危险和偏僻的地方 随意抛洒传感器。这时候传感器节点的自组织能力要求就比较高，要求传感器网络 能自动的管理和配置，通过相关的拓扑机制和对应的网络协议自主构成发送监测信 息的无线传感器网络系统。在无线传感器网络进行信息检测中，由于各个节点转发 信息时消耗的能量值不同，热点节点有能耗量极高而快速衰竭死亡。而一些节点会 需要补充死亡节点、增加自身的转发量而加入网络。如此网络会根据自身的客观情 况自主增减区域中节点的个数，使得网络拓扑随其动态改变。自组织性无线传感器 网络能够很好的适应这种动态变化。 3 多跳路由 网络中节点之间进行通信的半径是有限的，节点只能与限制距离区域的邻居节 点进行直接通信。只能通过中间节点的路由转发，节点才能与限制距离区域内的节 点进行网络通信，传统意义上说使用相对应的网关和路由器可以实现设定网络的路 由转发。一般来说，无线传感器网络中是由普通的节点来完成路由的转发。这些普 通的节点可以是转发收到的信息，也可以是发送自己本身的信息。 4 动态性网络 动态性是无线传感器网络的一个显著特征。网络区域内的节点任意自主移动； 热点区域的节点因为能耗量大而过早死亡或节点由于其他故障无法运行，而退出网 络信息的转发；某些节点为了维持网络的正常运行而被添加到网络中。因此网络的 拓扑结构可能由于下列各种因素而发生改变： 传感器节点由于电能耗尽或环境原因失效或故障。由于环境因数的使得通信 链路带宽出现故障，出现掉包和信息延迟等故障。 无线传感器网络中的三个主要构成部分：观察者、感知对象和传感器都具有 可移动性。 节点由于网络检测的需要进行加入或退出动作。 网络的变化。 5 数据中心网络 由于所有节点都需要完成某些任务型，通常无线传感器网络也称作为任务型网 络。其中每个节点均采用对应的编号对其进行标识，通过对通信协议进行设计，每 2 个节点的编号都是唯一存在。由于节点是随机分布的，以至于传感器与节点编号是 动态一一对应的，因此节点编号与其位置无必然的联系。在进行信息查询时，传感 器网络用户将自己所需要的信息在网络里进行广播，而不是通知认定的节点。用户 只有在网络获得相应的事件后，才能获得想要的信息。 6 应用相关网络 传感器通过检测外部物理世界，获取外部区域内的具体信息量。由于外部区域 内的信息是多种多样的，同时不同的信息对应不同的传感器需求，以此无线传感器 的相关网络要求也是多种多样的。 根据传感器网络的不同要求，其应用的背景也是不同的。所以每个网络所要求 的硬件平台、网络协议等也存在差异性。因此传感器网络不可能存在一个统一的协 议平台。针对传感器网络协议的差异性，专家学者在开发高效目标系统时，充分考 虑了其不同于传统网络的显著特征。 在恶劣环境或偏僻的区域，无线传感器网络得到了广泛的应用。由于工作在特 定的监测区域和环境内，加上其数量庞大，每个节点不可能均得到妥善的管理，因 此无线传感器网络要得到完备的管理和维护几乎是不可能实现的。由于通信链路需 要保密性和安全性，同时要防止信息被盗取和准确获得周围所需信息。网络的鲁棒 性和容错性是无线传感器网络软硬件必须具有的性能。 1 1 3 无线传感器网络的应用领域 虽然现阶段大规模商业都在大量应用无线传感器网络，但由于技术上的不成熟 使得一些商业还不能完全应用无线传感器网络。近年，传感器相关技术得到了一定 的改进，降低了传感器的计算成本，减少了传感器的处理器体积。因此越来越多的 无线传感器网络得到了商业的应用。当前主要在以下领域得到了广泛的应用。 1 监测和保护环境 目前环境问题越来越引入关注，专家和学者在研究环境问题是需要的相关数据 也日益增多，无线传感器网络可以提供研究者很多随机获取的研究数据，给专家学 者带来了很多的便利，更佳的是传感器节点在收集数据时，可以免除对环境的再次 破坏，这一点无疑给研究者带来了福音。通过跟踪候鸟和昆虫的迁移并获取相关的 信息，无线传感器网络可以通过这些信息为研究者提供研究环境变化可贵信息。此 外，它在精细农业中也得到了广泛的应用，传感器节点过获取农作物中害虫情况、 土壤酸碱浓度和施肥状况的信息来监测农作物的生长情况等。 2 医疗护理 硕士学位论炙 m a s t e r st h e s i s 在医疗研究、护理领域方面，无线传感器网络也大有用武之地。一些科学家研 究证实，可以用传感器节点来构建只能医疗系统，通过传感器检测周围环境的微尘 来获取病人的相关特征及相应时间内的病人的活动状况。由于无线传感器可以高效 率的传送医生或护士所需要的信息，在不久的将来无线传感器构建的医疗系统将更 方便的为医院服务，给医疗护理带来很多便利，减轻护士的工作量。 3 军事领域 由于无线传感器网络里的传感器节点是呈随机密集型分布的，在非常恶劣的战 争环境中对其需求很大。传感器节点可以同检测周围环境的信息，获得敌方的相关 具体情况，从而使得己方根据具体情况拟定攻击策略获得最大化的胜利。 4 其他用途 在一些比较危险的工作环境中，无线传感器网络业得到了迅猛的发展。比如在 煤矿工业，核电工业等高危工业，工作人员可以利用传感器对工作环境和工作进展 实施安全检测，预防和避免各种事故的发生。在交通管理方面，现在越来越多的红 绿等通过传感器收集车辆信息来控制其交通流量。此外，由于传感器网络检测设备 的成本低廉，检测效果好等优点，在自动化工业中得到了广泛的欢迎。尽管无线传 感器网络起步不远，当其在各个领域都展现了它特有的使用价值。未来随着技术的 进一步改进，无线传感器网络将会得到更大面积的应用。 1 1 4 目前无线传感器网络研究的热点问题 ( 1 ) 节点的定位 由于传感器节点是按负指数随机分布在网络中的，因此在无线传感器网络中的 节点定位问题成为专家学者追逐的热点。在个研究中通常采用设定极少数节点具有 定位功能，而其他节点自身的位置和其周围邻居中带有定位功能的节点的联系找到 自己所在的网络位置。 ( 2 ) 动态节点的调度及部署 为了满足逐渐深入的相应研究和日益多样化的实际环境，无线传感器网络节点 也由单一和静止方式转化成了满足现在要求的动静结合方式。因此目前众多专家学 者对如何选定动静节点，选用什么样的调度算法来调度节点的研究同益增多。 研究者通过研究节点的移动部署来实现移动传感器网络中节点优化部署和再 部署船刊。这样很好的解决了无线传感器网络的节点覆盖问题，使得在某些节点发生 能量耗尽或其他故障时，对其他节点进行重新部署，得以有效延长网络的生命周期， 最终达到提高网络的使用率。 4 硕士学位论炙 m a s t e r st h e s i s 随着人工智能技术以及传感器网络技术的发展，目前越来越多的学者通过利用 机器人代替网络中的传感器节点的方法达到了跟踪目标的目的。由于移动机器人有 效地扩大了节点的跟踪范围和增加了其跟踪时间h 1 ，而且其具有传感器节点的移动 功能，人工智能技术和传感器网络技术得到了相应的发展。 ( 3 ) 网络覆盖 作为传感器网络研究的基础性问题之一，网络覆盖问题通过描述网络的感知情 况，影响着无限传感器网络的连通性，网络的寿命和其服务的质量。近年来，研究 者提出了满足现代需要的动态覆盖概念，丰富了网络覆盖率内涵和网络覆盖率外 延。但是在现实的应用中，网络的完全覆盖要付出很大的代价，而且可能得不到任 何的改善。因此，研究者热衷于在平衡状态下追求消耗最少的能量来实现网络覆盖 率的最大化引。 ( 4 ) 路由协议 在现实应用中，无线传感器网络中，节点传输数据消耗的能量要远远大于其收 集数据和计算数据所消耗的能量。因此选择一个合适的路由协议，是每个研究者研 究的目的所在。传统的经典路由协议算法有s p i n 算法n 1 ，l e a c h 算法n 州，f l o o d i n g 算法隅3 等。它们都很大程度的使得整个网络的各个重要的技术参数达到最佳状况。 ( 5 ) 数据采集和数据融合啪3 众多的传感器能量在传感器节点在进行数据收集和计算各个数据时被大量使 用。而节点在收集数据，采集数据频率，其本身类型以及相应的需求与传感器节 点消耗的能量值是一一对应的，因此通过降低节点的能量损耗来实现高效率优化数 据的采集。 在2 0 世纪7 0 年代，数据融合技术开始起步。在8 0 年代得到蓬勃发展。通常通过 联合和组合多个传感器的信息和其他信息，来获取准确的信息。目前，越来越多的 学者对该项技术进行研究，试图形成一套完整的数据融合技术理论体系和方法n 2 1 。 ( 6 ) 软件、硬件的设计和制造乜5 删 近年，国内外学者对传感器的装置设计的研究越来越多，利用已有的无线通讯、 微传感器、微电子等技术，研究者构成了覆盖率高，寿命长的网络。在研究过程中， 研究者考虑到每个传感器节点收集信息的所耗的能量值和每个传感器节点需要选 择相应的路由协议，经过合理设计和安排软、硬件资源达到增加节点寿命的目的， 最终实现网络能量的最大化使用。 1 1 5 无线传感器网络的能量平衡问题 硕士学住论文 m a s t e r st h e s i s 随着无线通信技术的快速发展，传感器网络的广泛部署早就成为了可能，由于 无线传感器成本低廉且体积微小，相应的其自身具备的能量也很有限，因此传感器 节点能量的使用必须经过精心设计，使得传感器网络的能量最大使用，获得尽可能 长的网络周期。相关研究人员分别从传感器节点的布设，传感器节点的移动，甚至 是簇点s i n k 位置的移动来优化网络的能量消耗，以获得最长的网络周期，这些策略 均收到了一定的效果，但是如果从传感器网络的能量的平衡消耗来进行优化的话， 其网络周期将延长更长。 无线传感器网络的周期主要取决于两个方面：第一，能量的消耗水平；即传输 每个数据需要消耗的能量；第二，节点之间能量的平衡消耗水平；网络中每个传感 器节点平衡消耗水平越高的话，其网络周期会较长，但是无线传感器网络的生命周 期定义为第一个传感器节点死亡的周期，如果能量消耗不平衡的话，就可能出现某 个区域节点过早死亡形成能量空洞，使得整个网络的生命周期缩短h 7 1 。 所谓的能量空洞是传感器网络节点在收集数据的过程中，由于靠近基站的区域 需要收集相对比较多的数据，其消耗能量的值要远大于周围其他区域的节点，从而 导致这一区域的节点过早消耗完能量而死亡。由于这一区域节点的死亡，附近的节 点要承担更多收集数据的责任，而增加能量的损耗量，这样附近节点也将迅速死亡， 由此恶性循环导致死亡区域扩展的现象我们称之为“漏斗效应。能量空洞加上漏 斗效应往往会是部分网络失效，甚至是整个网络都失效。使得整个网络的能量使用 率降低。显然如果采用有效网络能量平衡策略，减弱或避免能量空洞的出现，能够 大大提高网络的能量使用率，最终有效延长网络的生存周期h 引。 大量的研究已经证明：能量空洞是每个传感器网络在收集数据时大量而广泛存 在的问题。而能量平衡的消耗是目前最简单而有效解决能量空洞的方法。 1 2 本文的主要工作及组织结构 本文主要是研究无线传感器网络中静态节点网络的能量平衡和相应移动节点 的调度及整个网络的能量覆盖问题，提出簇内的能量平衡消耗的传输方案，基于网 络能量平衡指标的计算，漏洞检测，目标动态节点的调度和基于能量分布平衡的节 点移动算法，在保证传感器网络的原始覆盖率前提下，通过基于能量分布平衡的节 点移动算法，得到了最优化的能量覆盖，既保证网络中各个节点的能量消耗平衡， 又能保证整个网络的能量覆盖优化，从而大大延长了整个网络的寿命。 本文的研究目标如下： 6 硕士学位论炙 m a s t e r st h e s i s 1 对当前典型的无线传感器网络的能量平衡策略进行介绍，重点分析和比较了 节点传输数据是采用的单跳和多跳的混合跳策略和基于目标节点的动态调度算法， 各自的适用环境和优缺点。 2 通过以上策略和算法的启发，提出一定比率的混合多跳策略和移动节点调度 策略改进算法，其中包括基于能量平衡指标的计算和周围移动节点的选择策略及其 移动策略，通过m a t l a b 平台进行仿真，分析在该算法的调度下能量平衡指标增量与 传感器结点个数以及感应半径的关系。 3 通过取各个节点之间的能量差和感应面积的比率作为能量平衡指标，及通 过使用中心角极坐标的方法对能量薄弱区域进行检测，并计算出其面积，提出移动 节点调度策略的改进算法，使用m a t l a b 平台进行仿真测试，该算法在保证传感器网 络的原始能量平衡的前提下，一定程度上改进了网络的平衡消耗量，达到设计目标 的要求。 1 3 章节安排 论文各章内容组织安排如下： 第一章，绪论部分，介绍了本文的选题背景和课题意义，对无线传感器网络的 相关知识进行了概述，并介绍了本文的主要工作及研究目标； 第二章，对无线传感器网络模型、能量模型以及无线传感器网络中的能量平衡 研究进行了介绍； 第三章，首先介绍了无线传感器网络中实现能量平衡的策略，并在单挑模型、 多跳模型及传统的混合型模型提出合理安排每一环中节点单跳和多跳的比率策略 来实现能量平衡，并用m a t l a b 平台对理论分析进行了仿真； 第四章，使用平衡指标对无线传感器网络的能量进行判定，当判定不平衡后， 通过计算出能量相对比较薄弱的区域，提出移动节点调度策略改进算法，提出解决 方案，然后再用平衡指标来对整个网络的能量进行判定，并进行仿真分析； 第五章，总结全文，并对今后的研究方向进行展望。 7 硕士学位论丈 m a s t e r s t h e s i s 第二章无线传感器网络能量平衡的相关研究 2 1w s n s 中的能量平衡研究背景 近年来，随着信息技术的飞速发展，网络的全球化普及，具有大范围应用潜力 的无线传感器网络引起了众多学者和专家的注意。无线传感器网络通常由很多用于 遥感目标环境的传感器组成，这些传感器可以将数据转发给基站( b c ) 和彼此之间 进行交流。在无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，w s n s ) 中，网络终 端节点( 简称节点) 一般具有初始的电能，其能量有限而且不易再次补充。传感器 节点通过自组织的方式组成网络后，通过多跳或单跳的方式将监测到的数据传送给 基站，最终将周围整个区域内的数据传送到基站进行统一集中处理。但是，采用多 跳或单跳传输会使距离基站相对比较近的节点由于需要消耗过多的能量而过早死 亡。这就是我们所说的“能量空洞”( e n e r g yh o l e ) 现象h 引。 图2 1 能量空洞现象 无线传感器网络中，如图2 1 所示，节点随机分布在监控区域中，节点能量的有 限性使得传感器网络节点在接受和转发数据时，由于转发和接受的数据量不同每个 o o c 硕士擘住论文 m a s t e r st h e s i s 节点消耗的能量也存在差异，而传感器节点的电池不能被二次供给。当节点的能量 消耗完毕时，传感器将会停止工作( 我们称这种能量消耗完的节点为死亡节点) ， s i n k 附近区域的传感器网络节点由于需要接收和转发大量的数据，导致s i n k 周围区域 的能量消耗较高，形成能量空洞，最终导致整个网络过早死亡。能量空洞现象不管 是在平面，层次，异构还是同构的w s n s 中都是普遍而且广泛存在的，众多研究表明， 能量空洞形成后，w s n s 中剩余的能量达到9 0 ，如何最大量的利用传感器检测区 域的网络能量，延长网络的使用周期，提高其网络能量利用率，是现有研究工作需 要解决的问题。而无线传感器网络的能量平衡消耗很好的解决了这一问题h 副。 在传感器网络中，传感器节点存在接收数据，发送数据，空闲，休眠四种状态。 如图2 2 所示，不同的状态存在不同的能量消耗量。在无线传感器网络中，节点发送 数据时消耗的能量是最多的，相对来说，接收数据时消耗能量较小，空闲状态次之， 而休眠状态时能耗最少。在平衡能量消耗时，传感器网络可以转化节点工作状态， 高效利用整个网络的能量，使得整个网络的能量尽可能全部消耗完。从而有效延长 整个网络的生存周期。 1 5 曩1 0 口口 m ： 5 o 厂 通信 厂 厂厂 传感器 处理器 发送接收空闲休眠 l 图2 2 无线传感器节点能量消耗状态 2 1 1w s n s 中的能量平衡的网络模型 在现有的研究当中，通过对节点状态的区分，一般分为两大类网络模型。节点 处于静态时采用的两种最典型的网络模型如图2 3 ，图2 4 所示。节点处于动态时采 用的两种最典型的网络模型如图2 5 ，图2 6 所示。 9 硕士学位论文 m a s t e r st l e s l s 1 静态网络模型 1 ) 图2 3 以基站s i n k 为圆心的圆形区域，假设为整个传感器网络，在网络区域 内随机分布传感器节点，节点的集合设为v = h ，v 2 ，屹，) ，川= 刀。每个传感器 节点负责数据的接收和发送，设定每个节点收集信息的半径为，如图2 3 所示的区 域内，节点离基站s i n k 的距离为4 ，那么以基站s i n k 为圆心分别以z ，碣一r ， z 一2 ，为半径的圆c f ，g - 1 e 一2 ，离基站s i n k 的距离小于，的节点直接将数据转发 给基站s i n k 。 图2 3 不等簇半径型网络模型 不等簇半径型网络模型使得消耗能量最多的节点不再集中于s i n k 附近。通过改 变每个节点的收集信息的的半径来平衡整个网络的能量消耗。设定节点形到基站 s i n k 的距离为硅，对于任意与s i n k 距离等于d ，的节点消耗的能量是等同的，在距 离s i n k 比较近的节点由于要收集相对比较多的信息，如果按统一的半径来收集信息 的话，那么这些节点将会最先消耗完本身能量，采用不等等簇半径轮换为每个节点 设置一个适合的收集半径，从而达到网络能量的最大化消耗。在图2 3 中，经过计 算得到夹角= a r c c o s l1 一, 2 2 d , i ，显而易见，节点形负责转发区域的面积为4 p a l , 。 l - j 结合上两个数据不难算出形节点的收集信息外围的区域面积为p ( r 2 一( 谚+ ，) 2 ) 。 l o 硕士学位论丈 m a s t e r st h e s i s 图2 4 单跳多跳型网络模型 2 ) 图2 4 中也是以基站做圆心画半径为尺的圆，然后在此基础上画k 个同心圆， 第k 个圆与第k - 1 个圆的距离为r ，以此类推，第二个圆离基站的距离为2 r 。设定 第k 个圆与第肛1 个圆的中间地带为b a n dk 。以此第一个圆与基站之间的区域为 b a n d 0 。那么第k 圈里分布的传感器离基站的距离为取= k r ，而这个区域的面积为 & = 万( 尼2 一( 七一1 ) 2 p 2 。按选定的密度均匀的将传感器分布在整个网络里，由于靠近 基站的那个环形区域内接受和发送的数据消耗的能量比较多，那么全部用多跳传输 会引起上面所说的能量空洞，在所有节点不能移动且每个节点的传输半径一样的情 况下，提出了一种混合多跳的方法来解决了这一问题乜1 ，由于随着传输距离的增大， 传感器消耗能量也就越多，合理安排每个环中的单挑和多跳比率可以有效避免能量 空洞现象，从而达到能量的平衡消耗口1 。 2 动态网络模型 1 ) 如图2 5 所示，当s i n k 周围的么区域存活节点数量比较少时，通过各个传 感器节点收的信息，判断周围哪些地域存活节点比较多的，经过衡量能量的剩余量 和距离，选定s i n k 移去综合量比较好的b 区域，从而最大化消耗完整个网络的能量， 延长网络的生存周期啪1 。 硕士学位论炙 m a s t e r st h e s i s 图2 5 簇点移动网络模型 2 ) 如图2 6 所示，在传感器网络中，有些节点由于需要收集的节点比较多，所 以消耗的能量也比较多，当某个区域的传感器节点能量消耗完后，容易造成整个网 络的能量浪费。为了解决这一问题，文献阳3 假定传感器节点是可以移动的，当某个 区域出现能量消耗出现漏洞时，从存活节点比较多的区域，例如彳区域和b 区域。 挑选出一些节点移动到出现漏洞的地方，例如c 区域。继续那个区域的数据的收集。 文献中提出了一种节点调度算法，在固定的半径里，当一个节点附近存在三个以上 存活的节点，这个节点就可以移动到出现漏洞的区域。同时也检测出整个网络中哪 些地方出现漏洞，并计算出了漏洞的大小。使得节点在移动是更为确定。 1 2 硕士擘位论炙 m a s t e r st h e s i s 图2 6 传感器移动网络模型 2 1 2w s n s 中的能量平衡的能量模型 上一节讲到传感器节点具有四种工作状态，接收数据，发送数据，空闲和休眠。 这四种状态消耗的能量也各不同，其中节点在接收数据时消耗的能量最多，发送数 据和空闲状态所消耗的能量基本持平。休眠时基本不消耗能量，在众多的研究当中， 采用最典型的能量消耗模型n 1 ，发送数据时的能量消耗量见公式2 1 所示，接收数据 的能量消耗量见公式2 2 所示。 j & = “叫2 ，狄d o ( 2 1 ) e 旺= l e e l e c + 1 6 珊p d 4 ，d d o 厶= ( 2 2 ) 式中疋船表示传输数据时所要消耗的能量值。若传输数据的距离小于设定的阈 值d o ，能量消耗采用自由空间的模式；否则采用多路径的能量消耗模型。，乞叩 分别表示上述两种模型中的所需的能量损耗量。而节点接收l b i t 数据所需的能量消 耗量如公式2 2 所示。文献1 中给出了以上参数的具体取值。如表2 1 所示。易表