绿色传感网的资源优化研究

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无线传感器网络是由部署在监测区域内的大量传感器节点组成,通过无线通信方式构成的一个多跳自组织网络系统,用于协作感知、采集和处理覆盖区域中被感知对象的信息。传感器网络实现了数据采集、处理和传输,对应着现代信息技术的三大基础技术,即传感器技术、计算机技术和通信技术。无线传感器网络扩展了人们信息获取能力,将客观世界的物理信息同网络世界的数字信息连接在一起,将在下一代网络物联网中为人们提供直接、有效、真实的信息。无线传感器网络具有十分广阔的应用前景,能应用于军事国防、工农业控制、城市管理、生物医疗、环境检测、抢险救灾、危险区域监测、远程控制等领域。已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视,被认为是对21世纪产生巨大影响力的技术之一。由于传感器节点具有的能量,即电能有限,传统绿色传感器网络研究的首要设计目标是能量的高效利用,从而延长整个网络的生命周期。然而除了能量资源有限,传感器网络的时间、存储、硬件、还有其它各资源也十分有限。本文将绿色传感网的研究从狭义的能量有效利用推广到广义的资源有效利用,拓展研究方向包括绿色时间资源,绿色存储资源,绿色硬件资源(最小化节点数量)。一、绿色时间资源。本论文在传感网一种新的应用“移动栅栏覆盖”为例研究时间资源的有效利用。传统栅栏覆盖研究是的传感器节点组成一条栅栏带围绕静态对象,使得任何进入对象范围的人或物都会被传感器节点检测到。在我们提出的移动栅栏覆盖研究中,对象本身是动态变化的,传感器节点需要通过移动组成栅栏带自适应的围绕着对象。许多实际案例可以受益于移动栅栏覆盖,比如传感器节点充当哨兵围绕并保护地面部队的行进。然而对象的移动是未知的,节点的反应时间有限,必须最快的移动到位完成包围状态。绿色时间资源的研究通过凸分析理论对移动栅栏覆盖进行分析,在此基础上提出分布式算法控制节点协作移动,最小化节点移动距离,最快达到移动栅栏覆盖,从而达到绿色时间资源。二、绿色存储资源。大规模分布的传感器网络经过长期的监测会收集来大量的数据,因此需要大量的空间来存储这些数据。根据《科学》中的论文统计2011年全世界产生的数据(主要是传感而来的数据)增量速度比全世界存储设备的生产增量速度快了31%。由此可见存储资源有效利用研究的必要性,否则会引发严重的数据泛滥问题。绿色存储资源研究主要用于传感器网络环境监测应用中,基于压缩传感理论和时间序列预测,我们研究并提出了动态数据收集方法。动态数据收集根据环境变化动态调整每个节点的数据采集率和工作/休眠占空比,目标用最少的数据采集就能够复原给定精度要求的总体环境。在相同精度要求下,动态数据收集方法相比与现有的低占空比或随机数据收集方法都更多的节省了存储资源和能量。三、绿色硬件资源。传感器网络应用通常需要大规模的传感器节点来覆盖整个被监测区域。每个传感器节点的硬件都有其成本,如何用最少的节点数量达到整个区域的全覆盖?即是绿色节点数量资源研究的目标。传统研究通常在理想二维平面或三维空间中研究节点的覆盖,而实际应用中,被覆盖区域通常是一个有界的复杂曲面,传感器节点只能布撒在曲面之上。绿色硬件资源的研究着眼于复杂曲面,基于积分几何理论,目标是最少数量节点的全覆盖。结合以上三个方面,我们组建起了初步的绿色传感网的资源优化的研究体系。
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