能量高效的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋控制問題分析

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1、武漢理T大學(xué)碩士學(xué)位論文第1章緒論1．1課題背景與研究意義無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wirelessSellsorN舐Ⅳork，WsN)是一種新型的自組織網(wǎng)絡(luò)，它集成了傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、無線通信技術(shù)、微電子技術(shù)、分布式信息等技術(shù)【lJ。它擴(kuò)展了人們信息獲取的能力，將客觀的物理信息同網(wǎng)絡(luò)連接在一起，使得普適計(jì)算的研究和發(fā)展成為了可能，為人們提供了最直接、最真實(shí)的信息。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域的大量具有低成本、低功耗、具備環(huán)境感知、數(shù)據(jù)處理的傳感器節(jié)點(diǎn)，采集人們所需要的物理信息，從而實(shí)現(xiàn)物理世界、計(jì)算世界同人類社會(huì)三元世界的連通。無線

2、傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛的應(yīng)用前景，使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究與開發(fā)已經(jīng)成為當(dāng)前信息領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)問題。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)交叉多門科學(xué)的研究領(lǐng)域，有很多值得研究的內(nèi)容，需要很多關(guān)鍵技術(shù)的支撐，其中覆蓋控制問題是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基本問題，它描述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)物理世界的感知狀態(tài)，反映了網(wǎng)絡(luò)所能提供的感知質(zhì)量【2】。所謂覆蓋控制就是可以根據(jù)被監(jiān)測(cè)區(qū)域或目標(biāo)的分布情況，對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的部署進(jìn)行特殊的規(guī)劃，保證傳感器網(wǎng)絡(luò)完全覆蓋或者以較大概率覆蓋被監(jiān)測(cè)的區(qū)域或者目標(biāo)。覆蓋控制對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化作用是顯著的，能量高效的覆蓋控制可以提高網(wǎng)絡(luò)和節(jié)

3、點(diǎn)的利用效率，節(jié)省能量，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間，所以它又是延長(zhǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期的一種非常有效的手段。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身特性的約束，能效問題成為是學(xué)者們研究的重要目標(biāo)。本課題的主要研究任務(wù)就是實(shí)現(xiàn)覆蓋控制算法的能量高效性，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的覆蓋質(zhì)量，提高網(wǎng)絡(luò)能量的利用效率，從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議中考慮覆蓋服務(wù)質(zhì)量，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能耗的能量高效覆蓋控制算法的研究是很有價(jià)值和意義的。1．2無線傳感器國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)想源自于二十世紀(jì)七十年代末的美國(guó)軍方。隨著與計(jì)武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文算機(jī)相關(guān)各個(gè)行業(yè)的技術(shù)

4、發(fā)展，進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)引起了軍方、學(xué)術(shù)界以及工商業(yè)界的極大關(guān)注【3J。目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究主要涉及到傳感器網(wǎng)絡(luò)的特理層研究、數(shù)據(jù)鏈路層研究、網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議的研究、傳輸層協(xié)議的研究以及相關(guān)應(yīng)用層方面的研究；而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施方面則主要集中在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂频难芯?、覆蓋控制的研究、網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步技術(shù)的研究、傳感器節(jié)點(diǎn)定位技術(shù)的研究、網(wǎng)絡(luò)安全方面的研究以及Qos管理方面的研究；此外無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究還涉及到中間件技術(shù)、數(shù)據(jù)管理、節(jié)點(diǎn)及其嵌入式軟件系統(tǒng)的研究等。其中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層是近年來無線傳感器網(wǎng)

5、絡(luò)研究的重點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)層的路由協(xié)議決定感知數(shù)據(jù)的傳輸路徑；數(shù)據(jù)鏈路層的介質(zhì)訪問控制傳感器節(jié)點(diǎn)的通信過程和工作模式。在國(guó)外，無線傳感器的研究起步較早，美國(guó)國(guó)防部和各軍事部門最先開始無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究，設(shè)立了一系列軍事無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究項(xiàng)目。傳感器網(wǎng)絡(luò)研究幾乎是呈爆炸式發(fā)展，美國(guó)的麻省理工學(xué)院、哈佛大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校、加州大學(xué)洛杉磯分校、康奈爾大學(xué)、斯坦福大學(xué)等世界著名大學(xué)，以及包括Intel、Mirosoft、mM、DUST、Crossbow在內(nèi)的著名企業(yè)都紛紛開展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究。在歐洲，意大利、德國(guó)、英國(guó)、芬蘭、法國(guó)等國(guó)

6、家的研究機(jī)構(gòu)也加入到了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究中。加拿大、日本、澳大利亞等發(fā)達(dá)國(guó)家也在積極進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究。目前已經(jīng)有了一些實(shí)際可用的傳感器節(jié)點(diǎn)平臺(tái)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)，如TinyoS就是UCBefkeley大學(xué)研究小組為wsN量身定做的嵌入式操作系統(tǒng)。2009年9月lO日，IBM推出了一款全新服務(wù)于智能傳感領(lǐng)域的w曲sphereseIlsorEvents軟件。目前已有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)國(guó)際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如正EEl451．5(無線傳感通信接口標(biāo)準(zhǔn))、ZigBee聯(lián)盟、Z．Wave聯(lián)盟、Cyprcss(WnlessUSB傳感器網(wǎng)

7、絡(luò))等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在國(guó)內(nèi)的研究起步稍晚于美國(guó)，中科上海研究所于2001年左右開始微型傳感器系統(tǒng)平臺(tái)的研究，中科寧波研究所也成立的專門的研究小組。此外，一些國(guó)內(nèi)知名高校也相繼開始了無線傳感器網(wǎng)的研究，如國(guó)防科技大學(xué)、清華大學(xué)、中國(guó)科技大學(xué)、浙江大學(xué)、華中科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京郵電大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等。國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)也對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)立專項(xiàng)研究的課題。從04年起有更多的院校、科研機(jī)構(gòu)加入到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究工作中來。但目前國(guó)內(nèi)大部分的研究還處于起步階段。2武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文1．3本文的主要工作在普通的路由協(xié)議

8、中，往往只重視網(wǎng)絡(luò)的能效問題而忽視在實(shí)際應(yīng)用中覆蓋質(zhì)量的重要性。而用戶最關(guān)心的是監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，所以對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量的優(yōu)化研究，是很有應(yīng)用價(jià)值的。本文圍繞著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能效問題和覆蓋問題進(jìn)行深入的分析研究