無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的功率控制研究

本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）中文題目 無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的功率控制研究英文題目 The Research of Power Control in WSN 學(xué)生姓名 旦增念扎 班級(jí) 18 學(xué)號(hào) 52111817 學(xué) 院 通信工程 專 業(yè) 通信工程 指導(dǎo)教師 聶新禮 職稱 副教授 吉林大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì)）承諾書本人鄭重承諾：所呈交的學(xué)士學(xué)位畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） ，是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)、調(diào)研等工作基礎(chǔ)上取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文（設(shè)計(jì)）不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的作品成果。對(duì)本人實(shí)驗(yàn)或設(shè)計(jì)中做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中以明確的方式注明。本人完全意識(shí)到本承諾書的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。學(xué)士學(xué)位論文（設(shè)計(jì)）作者簽名：年 月 日摘要摘 要無線傳感器網(wǎng)絡(luò)因其廣泛的應(yīng)用范圍，受到了國(guó)內(nèi)外研究者的重視，成為了當(dāng)今最炙手可熱的研究方向之一.由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)一般依靠電池進(jìn)行供電，存在能量受限的局限性，因此功率控制問題成為無線傳感網(wǎng)絡(luò)研究和設(shè)計(jì)中需要考慮的最重要的問題之一.功率控制的研究可以基于傳送功率和跳數(shù)、控制負(fù)荷、路由協(xié)議、擁塞等方面進(jìn)行。本文介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)以及特點(diǎn)應(yīng)用等，對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法進(jìn)行詳細(xì)的分類。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的功率控制路由算法，就是以功率控制技術(shù)為基礎(chǔ)，適合在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中使用，并能夠有效地降低節(jié)點(diǎn)平均能量消耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)正常使用壽命的一類路由算法。本文采用了一種基于判決門限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò) AODV 路由算法，在網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生擁塞的時(shí)候，針對(duì)突發(fā)緊急事件設(shè)計(jì) 10%緩存預(yù)留區(qū)對(duì)緊急數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與傳輸，構(gòu)建了一種基于擁塞預(yù)知的多徑尋優(yōu)路由策略，對(duì)于擁塞的產(chǎn)生進(jìn)行詳細(xì)的分析，達(dá)到擁塞預(yù)判，擁塞檢測(cè)，最后給出解決擁塞的方法。關(guān)鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 生存周期 路由協(xié)議 功率控制摘要ABSTRACTAbstractFor its wide range of applications, domestic and foreign researchers attention have been paid to wireless sensor networks and it has become one of todays hottest research directions. because the sensor nodes in wireless sensor networks generally rely on batteries for power, energy-constrained limitations exist. Therefore the power control issue has become one of the most important issues of wireless sensor network research and design consideration, the study may be based on power control transmit power and hops, load control, routing protocols, congestion and other aspects.This paper describes the structure and features of the applications of wireless sensor networks, and detailed classification has been completed for bewireless sensor network.routing algorithm.Networks routing and power control algorithm in wireless sensor is based on a power control technology and used in wireless sensor network environment, and can effectively reduce the average energy consumption of nodes and prolong the life of the network.This paper presents a wireless sensor network routing algorithm based on AODV decision threshold. When network congestion comes, 10% reserve buffer zone has been designed for unexpected emergencies,aimed at managing and transfer the emergency data,and a multipath routing optimization strategy has been proposed .The detailed analysis has been completed on topic of how the congestions accur,for the congestion prediction and check,and finally giving the methods to solve the problems.Keywords ：Wireless sensor networks Lifetime Routing protocol Power ControlABSTRACT目 錄目 錄第 1 章 緒論 .11.1 研究背景與意義 .11.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與趨勢(shì) .11.3 本文主要內(nèi)容與組織結(jié)構(gòu) .2第 2 章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概述 .42.1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu) .42.2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn) .62.3 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù) .72.4 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)應(yīng)用 .72.5 本章小結(jié) .8第三章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議 .93.1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)路由算法的分類 .93.2 功率控制路由算法 .133.3 一種基于判決門限的 AODV 路由算法 .133.4 本章小結(jié) .21第 4 章 面向擁塞控制的分簇路由算法 .224.1 相關(guān)概念 .224.2 問題描述與算法模型 .234.3 算法思想 .254.4 本章小結(jié) .30第 5 章 總結(jié)與展望 .315.1 總結(jié) .315.2 展望 .31致 謝 .32參 考 文 獻(xiàn) .33第 1 章 緒論0第 1章 緒論1.1 研究背景與意義隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)地日趨完善其飛速發(fā)展，功能也在不斷完善。起初傳感器網(wǎng)絡(luò)較為簡(jiǎn)單，只具有基本地?cái)?shù)據(jù)傳輸和信息獲取功能。 隨著通訊技術(shù)、傳感技術(shù)和嵌入式技術(shù)的日益成熟，使得傳感器網(wǎng)絡(luò)在世界范圍內(nèi)廣泛地出現(xiàn)。并且隨著技術(shù)地不斷完善，傳感器的能力變得更強(qiáng)、處理速度變得更快，并且體積變得更小了。目前，在軍事國(guó)防、工業(yè)農(nóng)業(yè)控制、城市管理、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面廣泛應(yīng)用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，被人們當(dāng)做作研究熱點(diǎn)并得到關(guān)注。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)極可能在人類未來生活的很多方面產(chǎn)生影響，因此被認(rèn)為是當(dāng)代最重要的技術(shù)之一。在 WSN 中，感知節(jié)點(diǎn)的能量由電池供應(yīng)，人們用交通工具等手段在需要感知的地方分別部署傳感器節(jié)點(diǎn)，這些感知節(jié)點(diǎn)具有自組織性。通常狀況下，傳感器所處的環(huán)境相對(duì)惡劣，傳感器網(wǎng)絡(luò)想要在這樣的環(huán)境中運(yùn)行下去，是極其具有挑戰(zhàn)性的一項(xiàng)任務(wù)。正因?yàn)樘幵谶@種環(huán)境中且它本身所攜帶的能量較少，要是個(gè)別節(jié)點(diǎn)因能耗而不能正常工作，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)轉(zhuǎn)也將產(chǎn)生影響。如此一來，無線傳感器的發(fā)展應(yīng)該首先考慮能量的因素，更高效率的利用，讓無線傳感網(wǎng)在特殊的環(huán)境中生存。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)所謂功率控制，一般是指在保證網(wǎng)絡(luò)連通的前提下，兼顧網(wǎng)絡(luò)延遲、通信干擾等其他性能，以此來延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期。目前，對(duì)于功率控制的研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在探索嘗試方面采用了不同的方法手段和思路策略，取得了一定價(jià)值的研究成果。為傳感器節(jié)點(diǎn)選擇合適的發(fā)射功率，下面對(duì)于功率控制研究的主流方向進(jìn)行介紹。1. 與路由協(xié)議結(jié)合的功率控制：拓?fù)淇刂茖儆诰W(wǎng)絡(luò)層是其基本的一個(gè)觀點(diǎn)，路由協(xié)議與拓?fù)淇刂葡嘟Y(jié)合是必要的。代表性的工作有 COWPOW 等，它的基本理論思想是，功率最小化的前提，是在全部的傳感器節(jié)點(diǎn)使用一致的發(fā)射功率和網(wǎng)絡(luò)連通的保證下完成的。在節(jié)點(diǎn)分布均勻的情況下，它的缺陷是顯而易見的。2. 基于節(jié)點(diǎn)度的功率控制：在上限和下限的給定節(jié)點(diǎn)度上，非靜態(tài)地調(diào)節(jié)發(fā)射功率節(jié)點(diǎn)，然節(jié)點(diǎn)度數(shù)的上升和下降落在上限和下限之間，是其基本思第 1 章 緒論1想。對(duì)于傳感器節(jié)點(diǎn)，基于節(jié)點(diǎn)度的功率控制并沒有很高的要求，基于節(jié)點(diǎn)度數(shù)的算法難于理論分析因其一般不能保證網(wǎng)絡(luò)的連通性。代表算法有 LMA 和LMN 等。3. 基于方向的功率控制：在以節(jié)點(diǎn)為頂點(diǎn)的任意錐形區(qū)域內(nèi)至少有一個(gè)鄰居，并且確保給定角度，對(duì)于發(fā)射功率的選擇是其基本思想。消除到達(dá)角度的問題極其重要，由于方向信息的可靠性是基于方向的算法的基礎(chǔ)，于是需要多個(gè)有向天線配備在各個(gè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)提出了相當(dāng)高的要求，代表算法有 CBTC 等。4. 基于鄰近圖的功率控制：各個(gè)節(jié)點(diǎn)以鄰近圖當(dāng)中的最遠(yuǎn)鄰接節(jié)點(diǎn)，以此確定發(fā)射功率是其基本思想，YG、MST、RNG 等是比較常見的幾個(gè)鄰近圖模型。不具有精準(zhǔn)的位置信息是基于鄰近圖的功率控制的最大不足。代表算法有 DRNG等。這些年，研究者關(guān)于傳感器網(wǎng)絡(luò)的功率控制研究做了不少工作，取得了相當(dāng)大地成果，但距離穩(wěn)定成熟的應(yīng)用于各方面還為時(shí)尚早。因?yàn)?，在理論上缺陷與不足的存在，在實(shí)踐應(yīng)用中存在較大的局限性，研究者們要對(duì)其還存留許多基礎(chǔ)性問題以及關(guān)鍵技術(shù)改進(jìn)，來使這個(gè)技術(shù)達(dá)到最佳效果： （1）對(duì)于全局網(wǎng)絡(luò)公平性的確保，全局同一發(fā)射值功率控制是一個(gè)不錯(cuò)的方法。但是較低網(wǎng)絡(luò)的連通性，通信鏈路的減少，并且影響消息傳遞的實(shí)時(shí)性都有可能因?yàn)榈桶l(fā)射功率而產(chǎn)生；更強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞倪B通，更少路由跳數(shù)都能由高發(fā)射功率實(shí)現(xiàn)，由此也會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度加大，通信傳輸能耗增加，網(wǎng)絡(luò)容量降低。因此，在理論與實(shí)踐中針對(duì)具體應(yīng)用的要求，選取最好的統(tǒng)一發(fā)射功率值，在各項(xiàng)性能間求得平衡，都是極其困難的。（2）基于發(fā)射值分組級(jí)可變的功率控制的研究，其在理論上盡量減小網(wǎng)絡(luò)沖突域會(huì)使網(wǎng)絡(luò)的傳輸能耗降至最低。然而，一系列的不良影響在發(fā)射功率值不對(duì)稱的情況下發(fā)生。比如說，網(wǎng)絡(luò)隱藏站將產(chǎn)生嚴(yán)重的麻煩，沖突率的增添使得公平性也隨之下降，影響網(wǎng)絡(luò)的能力有效性、實(shí)時(shí)性等一系列性能。因此，理論與時(shí)間的難點(diǎn)是，如何將不良影響降至最低來改善不對(duì)稱發(fā)射功率，并且平衡網(wǎng)絡(luò)要求的各項(xiàng)性能，這也是挑戰(zhàn)之一。（3）傳感器網(wǎng)絡(luò)中，多控制目標(biāo)能夠解決功率控制造成的對(duì)多項(xiàng)性能的影響。通常情況下，不存在一種協(xié)議或算法能夠同時(shí)照顧所有應(yīng)用目標(biāo)的最佳性能要求。并且，矛盾存在于傳感器網(wǎng)絡(luò)中的有些應(yīng)用目標(biāo)中。譬如，能量有效性與實(shí)時(shí)性：首先連通性