无线传感器网络部署优化问题研究

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1、东北大学硕士学位论文第1章绪论人类进入21世纪以来，微电子机械系统、计算机、通信、自动控制和人工智能等学科的飞速发展孕育了一种新型的测控网络——无线传感器网络【1’51。它综合了传感器技术、低功耗嵌入式计算技术、网络技术、无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各种集成化的传感器对检测对象进行实时的监测、感知和数据采集，这些数据通以无线方式发送，以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界和计算世界的连通【6。10】。随着传感器技术和通信技术的进一步发展，其应用的广泛性和多样性越来越受到人们的高度重视，在军事和民用领域均有着非常广阔的应用前景，如军事侦察、环境监测、

2、医疗监护、地震、气候预测及空间探索等领域。无线传感器网络技术己成为21世纪最重要的技术之一。1．1课题的背景及研究意义传感器网络的覆盖问题是基础理论研究与支撑技术研究的基本问题之一，是指通过实时控制网络中传感器节点，实现对监测区域或目标对象相关信息的感知与信息传递【11’14】。传感器网络的覆盖直接影响无线传感器网络对目标对象的监测性能，直接影响整个网络对监控区域的环境感知和数据处理能力等相关网络性能指标。为了增强无线传感器网络的监测质量和可靠性，通常将传感器节点大规模、高密度地部署在目标区域内，这就使网络中大量节点的覆盖区域相互重叠。这种覆盖冗余直接导致采集、传输数据的冗余，

3、从而导致大量的非必要能量消耗。通过对传感器节点的位置进行适当调度来重新部署，可以得到理想的覆盖范围，通过冗余节点交替工作，可以有效地延长无线传感器网络的寿命。如何利用移动传感器节点的移动性，达到理想的覆盖范围与覆盖维度，是无线传感器网络领域的重要课题。如何在节点能量有限、生存时间较短的情况下，利用节点部署的内在冗余特性，延长网络生存时间，是无线传感器网络设计一中的一个重要挑战。无线传感器网络的覆盖控制问题可以被看作通过对传感器节点的位置进行感知，然后通过一定方法进行重新部署，最终使无线传感器网络覆盖面积扩大，网络寿命延长以及各种资源得到优化分配，使感知、监视、传感、通信等各种服

4、务质量得到改善。因此对于不同的环境需要，对无线传感器网络进行不同的覆盖控制就成了一个最基本的问题。1．2无线传感器网络概述东北大学硕士学位论文第1章绪论无线传感器网络是由大量部署在监测区域内，相同或不同的微型传感器节点组成。每个节点在网络中可以充当数据采集者、数据中转站或簇头节点。通过无线通信方式形成多跳自组织的网络系统，能够协同地感知、采集和处理网络覆盖地理区域中目标对象的信息，并传送给观察者【l5'16】。作为数据采集者，节点可以收集周围环境的数据(如温度、湿度等)，然后将数据传送个其它节点。作为数据中转站，节点除了完成采集任务外，还要接收邻居节点的数据，将其转发给距离基站

5、更近的邻居节点或者直接转发到基站。作为簇头节点，负责收集该区域内所有节点采集的数据，经数据融合后，节点通过传感器网络将数据发送到网络中，由特定的终端接收。网络中的每个节点都含有体积小、低能耗、价格便宜、的多功能传感器和短距离通信模块。每个传感器节点具备信号采集、数据处理、相互通信的功能，直接投放到相应的监测环境当中，具有很大的灵活性和移动性，也可根据实际情况定制。在环境恶劣的应用环境监测和人类无法到达或长期监守的应用中显示了巨大的应用潜力。1．2．1无线传感器网络结构无线传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点、管理节点、互联网和用户界面。传感器节点任意散落在被监测区域内，这

6、一过程是通过飞行器撒播、人工埋置和火箭弹射等方式完成的。节点以自组织形式构成网络，以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域中特定的信息，可以实现对任意地点信息在任意时间的采集，处理和分析，通过多跳中继方式将监测到的数据传到汇聚节点。在无线传感器网络中绝大多数的节点只有很小的发射范围，而汇聚节点的发射能力较强，具有较高的电能，可以把数据发回远程控制节点。最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对无线传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。图1．1给出了无线传感器网络体系结构一般形式的描述。图1．1无线传感器网络体系结构Fig．1．1Systemstruc

7、tureofwirelesssensornetwork一2一东北大学硕士学位论文第1章绪论1．2．2传感器节点结构传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分组成，如图1．2所示。传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据；无线通信模块与其他传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发采集数据：能量供应模块为传感器节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。传感器模块处理器模块无线通