文档介绍：河北工程大学
硕士学位论文
基于半马尔可夫链的无线传感器网络能耗模型研究
姓名:孙翔
申请学位级别:硕士
专业:计算机应用技术
指导教师:赵继军
2011-04
摘要
摘要
片上系统(SOC, System on Chip)、微机电系统(MEMS, Micro-Electro-
Mechanism System)和无线通信技术的发展进一步促使无线传感器网络(WSN,
Wireless work)被广泛的应用于这种实际环境中。无线传感器网络由大
量的自组织节点组成,这些节点协作地实时监测并且感知环境数据,通过多跳方
式传输数据,将信息汇聚至 sink 节点。
无线传感器网络不同于其他网络最大的特点即其能量有限性,由于网络内节
点众多,并且时常布设在恶劣的坏境中,所以节点难以实现更换,当节点能量耗
尽就会导致网络瘫痪的可能,所以 WSN 的能耗问题一直是人们所关注的热点,如
何高效的利用节点能量一直是 WSN 网络需要解决的关键问题。
能耗模型作为一种衡量 WSN 网络能耗手段,其主要目的是为了通过能耗模型
分析并解决存在的能量利用率,并建立相应的能量拓扑图,监测网络能耗,本文
就建立一种高准确性的能耗模型为目的,对无线传感器网络能耗问题进行研究,
主要研究成果如下:
⑴分析了建立能耗模型的重要性,综述现有的能耗模型,并分析了现有的模
型存在的不足;
⑵从节点层面与网络层面对 WSN 网络消耗的能耗进行了分析,总结出节点硬
件能耗主要由数据无线传输模块产生,而节点软件能耗主要由 MAC 层与网络层的
通信协议产生;在网络中层面产生的能耗主要由隐藏终端导致的数据碰撞率所引
起的。通过分析无线传感器网络能耗产生原因,为之后建立能耗模型做了很好的
铺垫;
⑶将节点工作方式分成四种状态,以半马尔可夫链为数学模型,建立节点状
态转移概率矩阵,当时间趋于无穷时,求得节点处于各个状态的稳态概率;在此
基础上分析无线传感器网络数据流特点,建立其流量模型;将流量模型与节点稳
态概率相结合,建立一个新的能耗模型;
⑷搭建仿真环境,对现有能耗模型进行仿真,得出基于半马尔可夫链的能耗
模型所获得的剩余能量与实际值相差 (节点初始能量设置为 10J),符合实
际应用需求。在此基础上对模型重建阈值ξ进行仿真分析,得出随着ξ值的降低,
能耗模型精确度提升,但是网络额外能耗增加,当ξ<10%时,出现网络拥塞现象,
导致网络总能耗剧增;
⑸基于半马尔可夫链的能耗模型绘制网络剩余能量拓扑灰度图,分析剩余能
I
摘要
量分布特征及产生原因。

关键词:无线传感器网络;能耗模型;半马尔可夫链;流量模型

II
Abstract
Abstract
With the development of System on Chip (SOC), Micro-Electro-Mechanism
System (MEMS) and munication technology, Wireless work
(WSN) is widely applied to different kinds of situation. WSN posed of a large
amount of anized nodes and these nodes coordinate to monitor and sense
environment data. The data then congregate to the sink node using type of multi-hop
communication.
The most notable characteristic of WSN which different from works is its
limited energy. Due to a huge number of nodes existing in work and most of
them are always distributed in the harsh situation, so it is impossible to replace the
battery of node. When nodes’ energy is extinct, it is possible that the work will
be paralyzed. Therefore, energy consumption problem of WSN is a hot spot
continuo