無線傳感網絡配置問題研究.pdf

1、由大量的集成有傳感單元、信息處理單元和通信單元的無線傳感節(jié)點所組成的無線傳感網絡，具有隱蔽性優(yōu)良、組網迅速、結構靈活、分布范圍不易受自然條件限制、成本低廉、精度高、易擴展、體積小、規(guī)模大等等諸多優(yōu)點，因而其可以被廣泛應用于軍事、環(huán)境、醫(yī)療衛(wèi)生、空間探索、農業(yè)、智能家居等等人類生活的各個領域，在人類社會生活的各個方面均具有廣泛的應用前景和重大的現實意義。但是，無線傳感網絡自身也存在著諸多問題與挑戰(zhàn)，諸如能量受限，存儲、計算、通信能力有限，

2、帶寬較低，實時性和可靠性較低等等。所以，研究人員需要充分考慮無線傳感網絡的各項特點，使之可以被更為高效、廣泛地應用。正是因為無線傳感網絡具有這諸多的特點和巨大的現實意義，關于無線傳感網絡各項技術的研究，如路由協(xié)議、MAC協(xié)議、拓撲控制技術、數據處理技術等的研究才如火如荼。
　　 但是，無線傳感網絡現有的各項研究大多是在無線傳感節(jié)點已經部署完畢后進行的，有些研究甚至完全忽略了無線傳感網絡的網絡結構，就直接對無線傳感網絡進行相關協(xié)議

3、的設計與處理，這實際上是忽視了無線傳感網絡的可配置性對于無線傳感網絡性能的影響。實際上，無線傳感網絡所有應用的第一步就是節(jié)點配置，當無線傳感節(jié)點被散布到監(jiān)測區(qū)域之后，我們可以利用節(jié)點的移動性，或者進行相關節(jié)點的添加等等方式，修繕整個無線傳感網絡的網絡結構，使無線傳感網絡的性能得到大幅提高，這就是本文所要研究的無線傳感網絡配置問題。
　　 事實上，配置是無線傳感網絡中各種應用的基礎，因為只有當無線傳感節(jié)點經過配置階段確定數目和位置

4、之后，才可以進行實際應用和一些相關協(xié)議的設計與實現。故而，配置問題對于無線傳感網絡而言是相當重要的，在過去幾年中，出現了很多無線傳感網絡中的配置算法。這些配置算法雖然針對無線傳感網絡的連通性、覆蓋性、能耗、擁塞控制、存儲能力等問題進行了研究，但其大多存在這樣或者那樣的缺點，諸如：應用背景適用性較差、假設過強、可擴展性差、計算與通信復雜度較高等特點。針對這一現狀，我們在對配置問題進行了廣泛的調研和研究的基礎上，針對無線傳感網絡的傳輸可靠性

5、較差，能量有限，存儲和計算能力有限，現有配置算法缺乏對無線傳感節(jié)點移動性的深入研究等問題，提出了一些相關的無線傳感網絡配置算法。
　　 首先，針對無線傳感網絡的數據傳輸可靠性較差的問題，本文研究了無線傳感網絡的可靠中繼節(jié)點配置問題，其目標是使用最少數目的中繼節(jié)點以保證整個無線傳感網絡的可靠性。本文提出了一種基于集合覆蓋的迭代算法，并且分別研究了單層無線傳感網絡和兩層無線傳感網絡下的可靠中繼節(jié)點配置問題。同時，我們還證明了本文提出

6、的單層無線傳感網絡的可靠中繼節(jié)點配置算法與最優(yōu)配置的最差性能比為(1+[√2D-2r/2R])(lnn-lnlnn+Θ(1))，而兩層無線傳感網絡的可靠中繼節(jié)點配置算法的最差性能比為(1+[√2D/2R])(lnn-lnlnn+Θ(1))，其中D為感知區(qū)域直徑，n為初始無線傳感節(jié)點數目，R＞r＞0分別為中繼節(jié)點和傳感節(jié)點的通信半徑。
　　 其次，針對無線傳感網絡的能量有限的問題，本文研究了面向無線傳感網絡最大生命周期保證的中繼節(jié)

7、點配置算法。網絡的生命周期，是無線傳感網絡的最重要的研究問題之一。本文通過分析網絡結構對網絡生命期造成的影響，研究了無線傳感節(jié)點位置和數目與網絡生命周期的關系，設計了相應的配置算法來保證無線傳感網絡的生命周期。算法首先放置一定數目的無線傳感節(jié)點使整個網絡連通，滿足無線傳感網絡的基本要求，然后通過選擇合適的節(jié)點位置進行冗余配置，保證整個無線傳感網絡的生命周期達到最長。
　　 然后，針對無線傳感網絡存儲和計算能力有限的問題，本文研究

8、了無線傳感網絡中的存儲節(jié)點配置問題。算法通過在無線傳感網絡放置一定數目的存儲節(jié)點來存儲臨近節(jié)點發(fā)送的數據，以減輕網絡中的數據傳輸量。本文首先對存儲節(jié)點配置問題進行規(guī)約，在這一過程中修正了已有算法在能量模型定義上的不足，并證明無線傳感網絡中的存儲節(jié)點配置是NP-hard問題；接著文章提出了一個基于反向貪心策略的近似算法，并且證明了其最壞情況下的性能比為O(log n)，其中n為網絡中的傳感節(jié)點數目。
　　 最后，針對現有配置算法缺

9、乏對無線傳感節(jié)點移動性進行深入研究的問題，本文研究了無線傳感網絡中移動節(jié)點配置問題，關注于移動節(jié)點密度與動態(tài)無線傳感網絡的掃描覆蓋度之間的理論關系。在移動無線傳感網絡中，其實并不需要對感知區(qū)域中的每個點進行持續(xù)監(jiān)測，對其中的每個點進行周期性監(jiān)測已經足以滿足大部分應用的需求，這一新型的覆蓋模式被稱之為掃描覆蓋，其可以節(jié)省大量的無線傳感節(jié)點。在本文中，我們首先探討了移動傳感網絡中的t-掃描覆蓋問題，并給出形式化定義，然后分析在無線傳感網絡中