无线传感器网络环境中节点布置问题研究

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1、摘要摘要无线传感器网络(WirelessSensorNetworks，WSNs)是由数百甚至上千个传感器节点通过无线通信方式连接起来形成的一个多跳自组织网络，它被广泛应用于环境监测、生化监察、战场救援等领域。由于传感器节点经常被部署在条件恶劣甚至人类无法接近的区域，因而只能采取播撒或者随机部署的方式，导致网络的整体性能难以得到保障，因此有大量学者致力于研究如何在网络中部署一些可移动节点以提高网络性能。以往大多部署策略只是通过利用节点的移动能力来对目标感知区域的覆盖进行优化，而未将可移动节点的部署与已有固定节点的分布情况相关联导致现有部署策略无法有效应用于部署区域已存在传感器网络的情况

2、，所以本论文基于网络中已有固定节点的位置和拓扑来探讨加入可移动节点后，如何使网络生命最大化、连通优化、执行节点覆盖最大化、实时响应最小化这四类问题进行了研究，并提出了相应的可移动节点部署策略。由于WSNs中的节点经常会因为能量耗尽而死亡，使得WSNs无法提供长期可靠的感知服务，所以本文致力于如何通过基站的移动延长网络能够提供可靠感知服务的时间，也就是如何使网络生命达到最大化。为了度量感知区域中每个点被感知的剩余能量，本文首先引入了点能量密度这个概念，通过点能量密度的分布情况和分析，利用基站移动情况下点能量密度消耗速度的特点，提出了一种点能量密度平衡的基站移动策略，以便平衡整个传感器网

3、络区域的点能量密度分布，达到延长传感器网络生命的目的。本文通过glomosim仿真，分别将该策略与固定基站方式和基站随机移动方式下，WSNs的点能量密度分布和网络生命进行了对比，实验结果验证了该策略的有效性。WSNs中的节点通常是被随机布撒的，而且节点经常会因为能量耗尽或意外事件而死亡，这必将导致整个网络的连通性很难得到保证，但WSNs的连通与否却决定着WSNs的服务质量——即信息能否被有效传递，这便引出了我们的第二个研究问题——网络连通优化问题。因此本文致力于如何在异构的网络中加入最少的relay节点使得整个网络达到连通问题，以达到降低恢复连通成本的目的。本文重新推导了基于图增量r

4、elaynode部署策略(GraphAug-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文-mentationBasedRelayNodeDeployment，简记GA-RND)应用在异构WSNs中的近似比，并提出了基于权重图增量的relaynode部署策略(WeightedGraphAugmentationBasedRelayNodeDeployment，简记WGA-RND)和基于迭代权重图增量的relaynode部署策略(IterativeWeightedGraphAugmentationBasedRelayNodeDeployment，简记IWGA-RND)，并证明了这两种部署策略其实是一

5、种近似比为10的近似算法。最后通过实验验证了在不同sensor节点数量下、不同高通讯能力节点通讯半径RHA大小下、不同HA-sensor节点数量下三个算法使用效果，可以发现IWGA-RND算法使用效果最好，WGA-RND算法次之，GA-RND算法最差，并对三种算法在不同坏境下产生的结果进行了一定理论分析。在带有actor节点的传感器网络(WirelessSensorandactorNetworks，WSANs)中，对sensor节点感知到的事件进行实时响应与否是决定WSANs能否有效应用的关键因素。如果actor节点的数量不足以使所有sensor节点得到实时响应，则应使尽可能多的se

6、nsor节点得到实时响应，这便引出本文的第三个研究问题——执行节点覆盖最大化问题。为了提高WSANs的网络性能，本文致力于研究如何在WSANs中部署actor节点以使能被其覆盖的sensor节点数量达到最大化。基于利用Voronoi图对WSANs所进行的实时性分析，本文提出了一种基于Voronoi图的actor节点最大执行节点覆盖部署策略(theVORonoi-BasedMaximizeActorCoveragedeploymentstrategy，简记MATC-VOR)，并将MATC-VOR与MSF-VOR(theVORonoi-BasedMaximizeSenseFielddep

7、loymentstrategy，简记MSF-VOR)和MSF-VEC(theVECtor-BasedMaximizeSenseFielddeploymentstrategy，简记MSF-VEC)这两种典型区域覆盖策略就WSANs的执行节点覆盖效果进行了实验对比，结果表明：MATC-VOR可以让WSANs获得更好的实时性，且在收敛速度、能量消耗等方面均具有更好的性能，可以有效应用于WSANs中。当WSANs中的actor节点足够多以致出现冗余的时候，仅仅提供