● 摘要
无线传感器网络由于其广阔的应用场景，如航空航天、交通运输、能源、财政经济、医疗监护等，得到了国内外学术界和工业界的广泛关注。通常，部署在目标区域内的传感器节点具有有限的能量供应，节点的通信过程对节点的能量消耗起到了决定性的作用，如何降低节点的传输能量消耗成为了解决网络生命周期延长问题的关键。采用分簇技术将网络中的节点进行分组管理、利用簇头在发送前对收集的数据进行融合操作，是提高网络中节点能量利用率的有效手段。单跳通信模型和多跳通信模型均可用于簇内和簇间通信过程中，通常，簇内通信多采用单跳方式，而簇间通信两个通信模型均可采用。但是，由于受到节点最大传输半径的限制，簇间通信过程中采用单跳通信方式的协议的可扩展性较差。同时，由于距离数据中心较近的节点具有较高的数据转发负载，这部分节点的死亡时间早于网络中其他区域内的节点。在学术界，这一现象被定义为“热点”问题，或者被称为“能量洞”问题。虽然已有的许多技术方案，如分簇、簇头轮转、数据压缩、非均匀节点部署等，均可以用来降低网络的能量消耗，将“热点”区域进行迁移，但已有工作并未对可扩展性问题加以强调和研究。在大规模网络场景中如何构造一个有效的结构，从而将网络中能量的消耗降到最低，进而将网络的生命周期最大程度地延长，是一个具有挑战性的问题。为了实现网络生命周期的延长，本文首先提出了一种新的结构化分簇机制；并在该结构基础上，论文尝试实现网络中节点能量消耗速度的均衡。本文主要工作如下：1、本论文提出了一种针对大规模传感器网络应用场景的结构化分簇机制，其主要目标是为了降低网络中节点的能量消耗，平衡网络中节点能量消耗的速度，从而实现网络生命周期的延长。在该机制中，论文首先提出了一种簇头负载的定量分析方法；由于在基于分簇机制的传感器网络中簇头节点构成了网络中的能量敏感节点，因此在簇头负载定量分析的基础上，论文给出了一种依据网络中所有簇头总能量最小原则的网络最优划分方法；在给出簇头能量负载定量分析和网络最优划分方式后，本论文给出了一种满足网络中簇头能量均衡的簇头分布规律的求解方法，其主要特点是在给定网络中任意一个子区域内簇头数量后，通过迭代的方式求解其他区域内的簇头分布数量。2、为了进一步平衡网络中所有节点的能量消耗速度，论文在提出结构化分簇机制的基础上，又提出了面向能量感知的簇头轮转算法和轮发节点选取算法。由于仅依赖于网络中的局部信息，因此新提出的协议是一种完全分布式的算法，在大规模网络场景下具有较好的可扩展性。3、为了验证本文提出的结构化分簇机制及相应的能量感知路由协议，论文在不同网络规模下进行了大量的仿真实验。实验结果表明，在能量有效性方面，本文所提出的结构化机制具有较好的可扩展性和健壮性。与传统的簇尺寸均等机制和基于簇尺寸不均的路由协议相比，论文所提出的结构化分簇机制在不同角度定义的网络生命周期下均有较好的性能表现。最后，论文给出了本课题下一步的工作方向，包括数据融合模型的研究等方面。