无线传感器网络节能路由与协同计算

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1、中国科学技术大学硕士学位论文无线传感器网络节能路由与协同计算姓名：陈静申请学位级别：硕士专业：计算机系统结构指导教师：沈鸿20080501摘要无线传感器网络是一种新兴的数据收集和处理技术。其主要组成部分是部署在被观测区域中的大量微小的无线传感器节点所构成的分布式网络，具有大规模性、自组织性、动态性等特点。这些新特性使得无线传感器网络在军事、环境监测、工业、医疗护理等领域具有广泛的应用前景。但其资源受限的特性，特别是能量受限的特性，也对无线传感器网络应用的设计者们提出了许多挑战，这引起了学术界和工业界高度重视。本文对资源受限的无线传感器网

2、络中的节能路由协议和协同计算进行了研究，主要包括以下3个方面的工作：1-路由协议负责寻找源节点和目的节点之间的优化路径，并将数据包沿优化路径正确转发。在无线传感器网络中，无线传感器节点的能量受限的特性使得能耗问题成为无线传感器网络路由中所必须考虑的基础性问题之一。本文基于结合了数据聚合的层次路由协议LEACH，提出了一种节能路由协议MELEACH，该协议根据无线传感器节点的能量水平选择簇首，通过控制簇首之间的距离保证簇首的均匀分布，用树型拓扑代替LEACH中的星型拓扑。这些改进使得MELEACH在保持LEACH原有优点的基础上实现了更好

3、的节能效果。分析和模拟实验显示，我们的改进有效地延长了网络生存时间并降低了网络延迟。2．针对需要无数据聚合的原始数据上传的应用场景，讨论了传统的逐跳转发策略给无线传感器网络带来的能量不平衡问题。本文在网格拓扑的无线传感器网络中，采用按概率随机转发的策略，有机组合了逐跳转发模式和直接传输模式，有效防止了部分节点被过度使用的情况，延长了网络生存时间。3．无线传感器节点的一个重要特性就是具有一定数据处理能力。但其资源受限的特性决定了往往需要多个节点的相互协作才能完成较复杂的数据处理任务。本文研究了在无线传感器网络中通过协同计算有效地进行矩阵乘

4、法的问题。在给定的网络模型中，本文给出了在无线传感器网络中进行并行矩阵乘法所需要的并行步数的下限，给出了两个在时间复杂度上达到该下限的并行算法——CaD和WSN．CaImon，并通过详细的分析和模拟实验对算法的时间代价、空间代价和能耗等性能进行了全面的评估。关键词：无线传感器网络路由协同计算节能能量平衡中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论

5、文中作了明确的说明。本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。作者签名：二盟五帕莎年支月j曰第1章绪论1．1引言上世纪末本世纪初，随着MEMS(Micro．Elec订o．MechanicalSystems)和RF技术的发展，整合了传感、数据处理和无线通信能力的第4代传感器网络——无线传感器网络(wirelessse

6、nsornetWork，简称wSN)应运而生[1】。无线传感器网络的主要组成部分是由部署在被观测区域中的大量微小的无线传感器节点(wirelesssensornodes)构成的分布式自组织的网络[2，3】。这些传感器节点不仅能够收集周围环境中温度、亮度、声音、湿度等物理信息，还能利用自身的处理能力对这些信息进行智能化的处理和加工，最后根据不同的应用需求把预处理过的数据通过无线传输发送给观测者。无线传感器网络的这种分布式和智能化特性，使人类能以一种全新的方式与自然交互，从而极大地扩展了人们认识世界的能力。由于其革命性的意义，无线传感器网络

7、被美国2003年的MITTeehnologyReview列为未来10大新兴技术之首；同年，美国BusinessWeek也在未来技术专版将无线传感器网络列为4大新技术之一；美国DefenceToday甚至认为，无线传感器网络的应用与发展将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革。1．2无线传感器节点的结构与特点无线传感器节点是一个集成了传感、数据处理和无线通信能力的小型嵌入式计算机系统。目前使用得最为广泛的无线传感器节点是Smandust和Mote【4】。虽然不同的应用对无线传感器节点的具体功能会有不同的要求，其基本结构一般如图1．1

8、所示[4，5】。无线传感器节点有4个基本模块组成：传感模块、处理模块、无线收发模块和能量供应模块。传感模块通常由传感器和模数转换器构成。由传感器从被监测区域中收集来的模拟信号被模数转换器转换成相应的数字信号