信息获取是人类认识世界的重要途径,也是物联网的核心功能,由大量传感器节点分布式自组织构成的无线传感器网络为低成本地从物理世界获取信息提供了可能。然而,由于节点硬件能力和电池技术的限制,传感器网络在多跳数据收集的过程中存在严重的能耗不均衡问题,极大地降低了网络的能量使用效率和工作寿命,成为制约无线传感器网络大规模应用的重要因素。很多已有的能量均衡方法在实际应用中面临诸多挑战:它们要么需要专用硬件的支持,要么会带来额外的网络部署与维护成本,或者具有很高的计算通信开销。混合传输策略利用节点自带的通信功率调节功能,结合随机转发技术解决数据收集中的能耗不均衡问题,具有简单、低成本和易于分布式实现的优点。但是,现有工作缺乏对混合传输策略的深入理论探讨,所提出的方法仅适用于半径不超过节点最远通信距离的单跳网络。本文针对大规模多跳网络研究混合传输策略的能量均衡性能和实现方法,主要的研究内容和创新成果可以概括如下:1.分析能耗不均衡问题的产生原因。经过充分的分析与调研,本文揭示造成多跳网络能耗不均衡的四个主要原因分别是:多对一的通信模式、网络结构的限制、物理环境的制约以及节点硬件功耗的异构性,将现有的能量均衡方法总结为三种基本范型——能量部署平衡化、通信负载去中心化和传输多样化。混合传输策略联合使用通信功率调节和随机转发技术,同时具有传输多样化和通信负载去中心化的效果,可以使不同距离范围的节点均衡地消耗能量。2.研究混合传输策略的能量均衡能力。本文探讨了多跳网络场景下混合传输策略的能量均衡能力问题,提出了针对混合传输策略的能量均衡分析模型以及能量均衡能力的数量化衡量指标。分析表明混合传输策略的能量均衡能力是有限的——仅当网络半径不超过特定阈值时全网能量均衡才能实现,从理论上推导了能量均衡能力的上限,给出了能力上限的数学表达式。文中发现了一个新的参数,是各级通信能耗的表达式,表示混合传输相对于多跳传输的能耗溢价率,它是决定混合传输策略的能量均衡能力的关键参数。3.提出基于局部能量均衡优化网络寿命的方法框架。针对无法完成全网能量均衡的多跳网络,研究了如何通过局部能量均衡优化网络寿命的问题。提出了局部能量均衡的分析模型——能量均衡域模型,并系统性地分析了局部能量均衡与网络寿命优化的关系,分析发现小范围的能量均衡更有益于获得最大化的网络寿命,这一结论为基于局部能量均衡的网络寿命优化方法奠定了理论基础。文中将网络寿命优化问题转化为能量均衡域的划分问题,利用网络寿命与能量均衡域大小的关系设计启发式算法,计算局部能量均衡条件下混合传输策略的通信参数设置,并从数学上证明了所提出的方法可以获得近似最优的网络寿命。4.提出面向树形网络的分布式能量均衡传输算法。本文结合混合传输策略解决树形结构的能耗不均衡问题,提出了基于树形结构的混合传输方案TMDT。利用前文结论,将基于TMDT的网络寿命优化问题转化为1跳邻域范围内的父子负载均衡和兄弟负载均衡两个子问题,并创新性地提出负载谱函数方法,分布式地求解各节点的TMDT传输参数。最后,给出了两个轻量级的分布式混合传输算法,实验结果表明,所提出的TMDT方案可以将树形网络的寿命提高1~5倍。TMDT算法独立于树形结构的构建,可以与任何现有的树形路由算法共同工作,具有广泛的应用场景。