基于反馈机制的异构传感器网络能量空洞避免策略研究

In heterogeneous wireless sensor networks composed by a variety of different types of nodes, uneven energy consumption between nodes is more likely to result, leading to the emergence of energy hole. The project combines the characteristics of the heterogeneous network, focused on uneven energy consumption between clusters caused by inconsistency of nodes and conducts in-depth research on strategies to effectively avoid energy hole based on feedback mechanisms. The research includes: 1) to propose non-uniform clustering algorithm，under which cluster radius are related to the distance between nodes and sink in the initial phase of the network, considering that the type and location of the heterogeneous nodes are unknown; 2) to propose node energy consumption calculation model in the heterogeneous environment. Energy consumption of each cluster can be obtained according to the amount of data forwarded/generated by each cluster and the distance between each cluster to sink; 3) based on the analysis of the ratio of consumption of energy of each cluster, to propose sink feedback mechanism to dynamically adjust the size of each cluster and feedback iteration ending condition so that the energy consumption tends to be balanced and the ending feedback iteration can enter a temporary stable clustering period after several rounds of feedback; 4) to build a heterogeneous network experimental model, verify and optimize algorithms. The exploration and innovation through this project can provide effective support for heterogeneous sensor network planning and extensive application.

由多种不同类型的传感器节点组成的异构传感器网络中，更易产生节点间的能耗不均衡，导致能量空洞现象的出现。本项目结合异构网络的特点，着重考察网络中各簇由于节点类型不一致造成的能量负载不均衡，对基于反馈机制的能量空洞有效避免策略进行深入研究，研究内容有:1、网络初始阶段，考虑异构节点类型和位置的未知性，提出簇半径与节点到sink距离相关的非均匀成簇算法；2、提出异构环境下节点能耗计算模型，通过各簇产生/转发的数据量与各簇到sink的距离，获得各簇的能耗值；3、在对各簇能耗之比进行分析的基础上，提出能动态调整各簇规模的sink反馈机制与反馈迭代结束条件，使网络在经过多轮反馈后各簇能耗趋于均衡，结束反馈迭代进入暂稳定成簇阶段。4、构建异构网络实验模型，验证并优化算法。通过本项目的探索与创新，为异构传感器网络的规划与广泛应用提供有力支持。

在无线传感器网络中，由部分节点提前死亡造成的能量空洞现象是制约无线传感器网络发展的重要因素。尤其是在节点的初始能量、通信能力、感知半径、获取的数据消息大小均不同的异构网络中，更易产生节点间的能耗不均衡，导致能量空洞的出现。本项目针对能量空洞避免策略，开展了大量的研究工作，主要成果包括：（1）在异构场景下，对网络结构进行了分析，建立了能耗计算模型，设计了异构网络下的高效数据路由算法，提出了能根据网络能耗情况动态调整各簇规模的反馈机制，从而有效避免能量空洞现象的出现；（2）利用无线充电技术，设计了大规模网络下的低成本充电调度算法，向网络中的节点及时补充能量，避免节点提前死亡造成的能量空洞现象；（3）利用密度控制技术，在高能耗区域部署更多的节点，以避免能量空洞现象；（4）利用路由分流技术，将数据传输过程分为簇内分流和中继阶段，以平衡网络中各节点的能耗，避免能量空洞现象；（5）利用动态分区技术，结合非均匀成簇，避免能量空洞的出现；（6）分别在移动传感器网络和静态传感器网络中利用移动sink收集数据，以平衡各节点的能耗，避免能量空洞现象；（7）在双sink网络环境下，动态调整两个sink的数据收集区域，避免能量空洞的出现；（8）分别在海洋环境和河流环境下，利用分层技术，设计了水下传感器网络路由算法；（9）针对无线传感器网络质心定位算法精度不高的问题，提出了一种基于最优信标节点的质心定位算法。在上述研究工作的基础上，项目组在包括IEEE Transactions on Mobile Computing、 计算机学报、通信学报等期刊发表学术论文14篇，其中SCI检索2篇、EI检索7篇，另有投稿SCI期刊论文一篇已返修（审稿意见为minor revision）,申请国家发明专利4项。