能量獲取無線傳感器網(wǎng)絡路由及拓撲控制優(yōu)化研究.pdf

1、能量獲取無線傳感器網(wǎng)絡（EHWSN，Energy-Harvesting Wireless Sensor Network）是一個分布式的感知系統(tǒng)，由多個低成本的兼具有能量獲取、數(shù)據(jù)探測、數(shù)據(jù)聚合和數(shù)據(jù)傳輸能力的傳感器節(jié)點構成。傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡（WSN，Wireless Sensor Network）通常采用能量有限的微型電池提供電源，且常常由于工作環(huán)境較為復雜，很難補充或者替換節(jié)點的電池，這在一定程度上成為WSN進一步深度拓展的瓶頸所

2、在。與傳統(tǒng)WSN相比較而言，EHWSN的工作時長得到了很大的提升。通過引入能量獲取技術，給傳感器網(wǎng)絡中的每個節(jié)點附加能量獲取模塊，將周圍所處環(huán)境中的風能、太陽能等自然能量轉換為電能并儲存在電池中，供給傳感器節(jié)點使用，有效緩解了節(jié)點電池的能源受限問題。因此，在這種形勢下，EHWSN受到了來自學術界和工業(yè)界越來越多的關注和青睞。
　　盡管能量獲取技術為WSN的大規(guī)模廣泛應用提供了廣闊的前景，然而如何使這些能源真正為WSN服務還存在大量

3、的技術挑戰(zhàn)。無線傳感器網(wǎng)絡拓撲控制作為無線傳感器建網(wǎng)和通信的基礎，直接影響無線傳感器網(wǎng)絡各個方面的性能表現(xiàn)。傳統(tǒng)WSN中的路由及拓撲控制技術主要從節(jié)點的地理位置、實時能量狀態(tài)等角度出發(fā)，然而這些方法應用于EHWSN中存在很多問題，網(wǎng)絡性能有待進一步提高。目前關于WSN的主流拓撲結構包含平面型和層次型拓撲結構，因此，本文主要研究引入能量獲取技術后的 WSN在平面型拓撲結構和層次型拓撲結構中的路由算法及拓撲控制算法，主要研究目標是開發(fā)適用于

4、 EHWSN的高效路由傳輸算法及網(wǎng)絡拓撲控制算法。論文主要的研究內容和成果如下：
　　針對平面型結構的EHWSN，本文首先基于能量中性操作的概念，根據(jù)傳感器節(jié)點在未來一段時間內的期望獲取能量和期望消耗能量，分別提出了能量中性操作節(jié)點，能量中性操作路徑以及最優(yōu)傳輸代價的能量中性操作路徑的定義。分析了在單源點單匯點的WSN中，以數(shù)據(jù)傳輸任務為驅動如何通過調整傳感器節(jié)點的發(fā)射功率找到最優(yōu)傳輸代價的能量中性操作路徑。在此基礎上，進一步設計

5、了多源點單匯點網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)傳輸方案使得路徑上的每個節(jié)點都達到能量中性操作的要求。然后，本文從概率論的角度研究了所提方法在不同置信區(qū)間上關于路徑容量的性能表現(xiàn)。最后分析了如何在Ford-Fulkerson最大流算法的基礎上，求得單源點單匯點網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸容量，并探討了如何將多源點單匯點的網(wǎng)絡轉換為單源點單匯點的網(wǎng)絡拓撲結構。
　　針對層次型拓撲結構的EHWSN，基于傳統(tǒng)的LEACH（Low Energy Adaptive Clust

6、ering Hierarchy）分層次路由協(xié)議進行改進，以使其適用于 EHWSN。針對LEACH協(xié)議分簇不均勻的特點，本文考慮節(jié)點電池的能量，在未來一段時間內的期望獲取能量和期望消耗能量共同決策簇頭節(jié)點的選擇，以優(yōu)化網(wǎng)絡中節(jié)點的分簇情況。本文對網(wǎng)絡中的節(jié)點能量的使用情況進行數(shù)學建模，將節(jié)點的能量分布映射成最大化最小值問題，從理論上證明了該最大化最小節(jié)點能量值問題的NP困難性，提出了一種多項式時間算法解決該問題，并從節(jié)點平均剩余能量和網(wǎng)絡

7、平均工作時長等方面進行了仿真實驗。
　　此外，本文提出了一種適用于平面型網(wǎng)絡結構的基于順序勢博弈論的拓撲控制算法。該算法研究如何利用節(jié)點獲取到的能量進行拓撲控制優(yōu)化，并采用馬爾科夫模型預測節(jié)點在未來一段時間內的收獲能量。利用收獲能量大的節(jié)點去“保護”收獲能量小的節(jié)點，在一定程度上緩解由于電池容量約束帶來的能量“上溢”問題，以達到平衡網(wǎng)絡傳輸負載，克服節(jié)點過早失效的問題?？紤]傳感器節(jié)點的發(fā)射功率，覆蓋范圍以及節(jié)點電池容量的限制，對傳