考虑能耗优化的移动无线传感器网络覆盖控制算法研究

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无线传感器网络的研究主要涉及覆盖控制、拓扑控制、网络路由、节点定位、时间同步、能耗优化等问题。其中,覆盖控制既与网络监测质量直接相关,又深刻影响着后续各类协议和算法的设计,属于无线传感器网络设计中的基础性问题。目前,针对静态无线传感器网络的覆盖控制算法已相对成熟,但是适用于移动无线传感器网络的覆盖控制算法相对较少。因此,本文针对移动无线传感器网络覆盖控制问题展开了如下研究。首先,由于已有的移动无线传感器网络区域覆盖控制算法虽然能够保证网络在初始部署结束后实现全连通的前提下获得较高覆盖率,但是其网络初始部署过程中的移动能耗、通信能耗、网络覆盖率均存在优化空间;而且其未考虑网络运行过程中的节点衰亡,当骨干节点因能量耗尽而衰亡时,会造成网络连通率迅速下降,对网络可靠性造成严重影响。因此,本文提出一种基于动态树的区域覆盖控制(Area Coverage Control Based on Dynamic Tree, ACCBDT)算法,首先以Sink节点作为根节点逐级向外扩展,使网络拓扑结构呈树形结构,保证网络全连通;然后对树中非骨干节点进行位置优化,提高网络覆盖率;当网络进入运行阶段后,若出现即将死亡的骨干节点,可调度距离最近的非骨干节点进行援助,以保证网络连通率,提高网络可靠性。仿真结果表明,相比于典型的移动无线传感器网络区域覆盖控制算法,所提出的ACCBDT算法不仅能保证网络初始部署结束后实现全连通,而且进一步优化了网络初始部署过程中的移动能耗、通信能耗、网络覆盖率;此外,ACCBDT算法能延缓网络连通率的衰减,增强网络可靠性。然后,由于已有的移动无线传感器网络点覆盖控制算法虽然能提高网络连通率,却忽略了实际中的节点感知能耗,并难以同时优化网络覆盖率、网络能耗大小及均衡。因此,本文提出了一种基于能耗均衡分簇的点覆盖控制(Target Coverage Control Based on Energy-balanced Clustering, TCCBEC)算法,更为实际地考虑节点感知能耗,对不同位置的节点进行感知半径异构处理,以此减少覆盖空洞;进一步地,算法选择网络中覆盖目标点数目最少者作为簇头;并要求存在无效覆盖的节点进入休眠状态,援助其最近的即将死亡的工作节点。仿真结果表明,相比于典型的移动无线传感器网络点覆盖控制算法,所提出的TCCBEC算法既能有效减少网络覆盖空洞,提高网络覆盖率;又能减少网络移动能耗和提高网络能耗均衡,延长网络首次重构时间和网络生存周期。
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