无线传感器网络节能优化技术研究

【摘要】： 无线传感器网络是一种新型的网络和计算技术,这种网络由大量集成低成本、低功耗、具备感知、数据处理、存储和无线通信能力的微型传感器节点,通过大规模的网络部署,自组织方式构成网络,借助于节点中内置形式多样的传感器,可以将客观世界中不断变化的信息,通过网络方式及时有效地传输到信息接收端,被广泛地应用于国防军事与安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等领域。然而,由于节点靠电池供给能量,而又不易对如此众多的节点更换电池,节省能耗延长网络生命期就成为了无线传感器网络的关键;此外,由于无线传感器网络应用领域非常广泛,不同应用领域对网络有不同程度的服务质量要求。因此,设计能耗低且又能灵活有效支持服务质量的无线传感器网络,对其应用与发展具有非常重要的意义。 为进一步提高无线传感器网络的性能,本文以节约能耗、延长网络生命周期为目标,针对无线传感器网络的几个关键问题提出了解决方案:在覆盖控制优化方面,将问题归结于一个多目标非线性规划问题,提出与能耗紧密结合的虚拟力控制策略以优化节点部署;在网络路由优化方面,综合考虑网络的QoS需求、拓扑结构以及能量消耗,提出用分层小生境蚁群算法优化路由技术;在数据处理的优化方面,考虑无线传感器网络的多主体分布式的特点,提出利用Vague集合理论对数据进行判决与约简来减少数据量及复杂度来节约能耗;在传感器节点的功率优化方面,提出基于Vague集的智能PID控制来达到对功率的自适应调节,从而达到节能的目的,并给出了软硬件设计方案。 【关键词】：无线传感器网络 覆盖 路由 Vague集合 功率 优化
【学位授予单位】：安徽理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TP212.9;TN929.5
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-13
• 1 绪论13-25
• 1.1 无线传感器网络概述13-17
• 1.1.1 引言13-14
• 1.1.2 无线传感器网络的结构14-16
• 1.1.3 无线传感器网络的特点16-17
• 1.2 无线传感器网络的研究进展17-22
• 1.2.1 无线传感器网络的应用17-20
• 1.2.2 无线传感器网络的研究现状20-22
• 1.2.3 无线传感器网络的发展趋势22
• 1.3 论文的主要工作和结构安排22-25
• 1.3.1 主要工作22-23
• 1.3.2 组织结构23-25
• 2 无线传感器网络的覆盖控制优化技术25-44
• 2.1 无线传感器网络覆盖控制问题综述25-30
• 2.1.1 无线传感器网络的部署方式25-26
• 2.1.2 传感器节点感知模型26-27
• 2.1.3 无线传感器网络覆盖问题的分类27-28
• 2.1.4 评价无线传感器网络覆盖控制主要指标28-30
• 2.2 虚拟势场与虚拟力方法30-33
• 2.2.1 基本原理30
• 2.2.2 移动传感器节点工作模式30-32
• 2.2.3 基本流程32-33
• 2.3 基于节能的虚拟力覆盖控制优化技术33-42
• 2.3.1 数学模型33-34
• 2.3.2 基于节能的虚拟力覆盖控制优化策略34-37
• 2.3.3 算法描述与流程37-39
• 2.3.4 区域覆盖仿真实现与分析39-42
• 2.4 本章小结42-44
• 3 无线传感器网络路由优化技术44-66
• 3.1 典型无线传感器网络路由算法44-49
• 3.1.1 无线传感器网络路由算法分类44-45
• 3.1.2 基于数据的路由算法45-46
• 3.1.3 基于集群结构的路由算法46-47
• 3.1.4 基于地理信息的路由算法47-48
• 3.1.5 基于QoS 的路由算法48-49
• 3.2 QOS 组播路由理论49-52
• 3.2.1 QoS 机制的必要性49
• 3.2.2 QoS 的网络模型与组播模型49-52
• 3.3 小生境蚁群算法52-58
• 3.3.1 小生境策略52-53
• 3.3.2 蚁群算法原理53-55
• 3.3.3 改进的蚁群算法55-56
• 3.3.4 改进算法性能测试56-58
• 3.4 基于分层小生境蚁群算法的QOS 组播路由58-64
• 3.4.1 能量模型58-59
• 3.4.2 优化步骤59-61
• 3.4.3 仿真结果及能量分析61-64
• 3.5 本章小结64-66
• 4 无线传感器网络中数据优化技术66-80
• 4.1 无线传感器网络中的信息融合66-69
• 4.1.1 传感网络信息融合及其结构66-67
• 4.1.2 传感网络信息融合的方法67-69
• 4.2 VAGUE集理论69-72
• 4.2.1 Vague 集69-70
• 4.2.2 相似度量70-71
• 4.2.3 区间模糊化71-72
• 4.3 无线传感器网络数据处理模型设计72-78
• 4.3.1 Agent 结构模型72-73
• 4.3.2 基于Agent 的分布式计算模型73-74
• 4.3.3 基于服务Agent 的节点模型74-75
• 4.3.4 基于Vague 集的多传感器数据融合方法75-77
• 4.3.5 算例77-78
• 4.4 协作组织的形式化描述78-79
• 4.5 本章小结79-80
• 5 无线传感器网络功率控制优化技术80-100
• 5.1 传感器网络功率控制综述80-84
• 5.1.1 功率控制对无线自组网性能的影响80-81
• 5.1.2 相关理论81-82
• 5.1.3 典型功率控制算法82-84
• 5.2 基于VAGUE 集的PID 控制器84-91
• 5.2.1 PID 控制原理84-87
• 5.2.2 基于Vague 集的PID 控制器设计87-91
• 5.3 无线传感网络PID 功率控制技术91-99
• 5.3.1 基于Vague 集的PID 功率控制91-92
• 5.3.2 硬件平台92-97
• 5.3.3 软件流程97-99
• 5.4 本章小结99-100
• 6 总结与展望100-102
• 6.1 工作总结100
• 6.2 展望100-102
• 参考文献102-107
• 致谢107-108
• 作者简介及读研期间主要科研成果108-109

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