论文部分内容阅读
无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)是一个非常有实用价值的系统,适用于现代监测和监视。该种网络由大量的传感器节点构成,每个传感器节点都配备了电池、传感元件、处理器、无线电发射器和接收器,电池是传感器节点的唯一能量来源。感测任务主要为收集环境数据,如温度、湿度、风速、污染颗粒等。WSN可以配备摄像机,用于安全监控,例如,无线传感器网络可以部署在机场、火车站和巴士总站,以确保乘客的安全。传感器节点嵌入了无线收发功能,可以接收控制命令、负载分配,再把处理结果发送给基站以进一步分析应用。当无线传感器网络为特定的应用而设计时,必须充分考虑其操作模式和负载调度算法。由于网络大量使用传感器节点,且通常部署在常人难以到达的危险地方,一般很难更换电池。由于此问题,有可能在少量传感器节点能量耗尽时影响网络的连通性,从而导致整个网络瘫痪。因此,减少能量消耗和延长整个网络的生命期是一个值得关注的研究课题。解决能量消耗过快的问题可从多方面尝试,其中包括控制无线发送功率和分割负载。通常根据传感器节点部署的位置将传感器节点分簇,簇内节点通讯可以减少发送功率。针对可分负载可以使用可分负载理论(Divisible Load Theory,DLT),以确保感测任务能够在最短的时间内完成。因此,减少每轮感测所需的能量,可使整个WSN长时间发挥作用。这篇论文的研究重点是降低无线传感器网络能量消耗。首先提出基于博弈论的方法,引入基于机制理论的机制惩罚模型,激励传感器节点自愿、如实地参与任务执行,减少总执行时间。其次,由于无线传感器网络负载的可分特性,论文对可分负载理论进行分析,考虑传感器节点的剩余能量、索引号和特定操作模式等因素,提出了不同的WSN可分负载调度算法,延长了整个WSN的生命期。这篇论文的贡献,概括如下：1.设计了基于传感器节点平均剩余能量的机制惩罚函数以提高系统效率：无线传感器节点的寿命受有限电池能量的限制。在网络部署后,传感器节点可以通过权衡自己的能量消耗来选择是否完成所分配的负载。传统的负载调度算法没有对传感器节点提供足够的激励,以使得它们能够自愿参与机制,使得所分配负载在所需时间内完成。论文从非合作博弈论优势,如机制设计、可信机制,设计了基于传感器节点平均剩余能量的机制惩罚函数,对剩余能量不少于平均剩余能量的延迟传感器节点用指数函数进行严厉惩罚,而对剩余能量少于平均剩余能量的延迟传感器节点用幂函数进行微惩罚,结合可分负载理论,使得传感器节点自愿参与机制,保证在尽可能短的时间内完成所分配的负载。2.提出基于剩余能量可分负载调度算法(EDDLT)以延长系统寿命：尽管网络部署具有一定的灵活性和容错性,但由于有限的电池能量,无线传感器网络易失效。传感器节点能量消耗的一个主要部分用于把感测数据发送到主处理器。事实上,传感器节点所消耗的能量与感测和传输的持续时间有关。因此,为了延长WSN的操作寿命,一个合适的负载调度方法是必要的。论文提出运用可分负载理论的调度方法,即基于剩余能量的可分负载调度算法(Energy Dependent Divisible Load Theory,EDDLT),用于WSN负载调度。EDDLT使用初始能量与剩余能量的比值来进行有效的负载分配,把感应和报告单位数据所需时间的常量调整为基于剩余能量的可变参数。在给每个传感器节点分配负载时考虑传感器节点的剩余能量,具有较少剩余能量的传感器节点会被分配较轻的负载,因此,可以降低能耗和均衡能耗,延长传感器节点的寿命。3.提出自适应索引可分负载调度算法(AIDLT)以帮助WSN系统设计：能量过快消耗是影响无线传感器网络工作时长的一个主要障碍,对此可通过最大限度地减少传输功率的方法解决。可以对传感器节点分簇,并且根据感测和报告阶段能量消耗最省的情况进行负载分配。可分负载理论应用在负载调度中,同时考虑到能量使用的均衡,以获得最佳的负载分配。标准DLT基于传感器节点的有序索引,这些索引号在网络初始部署时就被确定了,负载调度过程中这些索引号不再发生变化,把标准DLT直接应用在无线传感器网络负载调度中,会导致能量不平衡使用。论文提出自适应索引可分负载调度算法(Adaptive-Indexed Divisible Load Theory,AIDLT),在每轮感测前先对传感器节点重新定义索引号,再根据新的索引号进行可分负载调度,其中,提出了基于传输距离、传感器节点剩余能量、传输距离剩余能量双排列和纯随机索引号的自适应索引方法。并且对这些自适应索引方案的性能进行了评估,自适应索引方案可对WSN系统设计提供有效的建议。4.提出基于活跃-睡眠模式的可分负载调度算法(ASDLT)以均衡能耗：由于传感器节点携带有限的电池能量,无线传感器网络的操作受到严重阻碍。为了减少能量消耗,使用可分负载理论给出一个适当的负载调度模式,然而,必须对调度模式的通用性和可行性作出特殊的考虑。论文对负载分配、测量和报告时间对基于DLT的WSN操作模式的性能影响进行了评估,发现在一些特定操作模式下产生负负载的问题。论文根据这种负负载现象,提出了基于活跃-睡眠模式的可分负载调度算法(Active-Sleep Divisible Load Theory, ASDLT),从而减少并均衡了能量消耗。具体而言,在出现负负载情况时,一方面使具有较少剩余能量的传感器节点进入睡眠模式,另一方面,对正负载量进行归一化处理后重新分配给剩余能量较大的传感器节点。通过使用所开发的活跃-睡眠模式可分负载调度算法,传感器节点之间的能量消耗得到平衡,无线传感器网络操作的持续时间显著增加。