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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-Cmmon,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。