无线传感器网络能量空洞避免理论与策略研究

能量空洞现象具有类似于自然规律"木桶效应"的损害，因此，如何避免能量空洞，以较少的代价而极大的提高网络寿命具有重大的经济效益与广阔的应用前景。本课题拟通过时、空系统微分建模方法以及参数优化理论建立传感器网络能量空洞避免模型。研究网络参数与能量消耗、网络寿命的优化关系，建立能量空洞避免的时间、空间、网络寿命的三维特征模型，以指导网络的优化。并设计新的能量空洞补偿、转移、避免的机制以均衡能量消耗，避免网络运行时的能量空洞。对事件热点区域的数据进行缺陷采集、转移采集、补偿采集来避免事件热区的能量空洞。实现能量空洞避免的静态网络参数优化与选取、运行时的能量空洞避免、事件热区避免的解决理论与策略。最后，集研究成果，设计一种可适合无线传感器网络和工程应用背景的能量空洞避免的原型系统，并对系统进行检验与性能评价。

无线传感器网络存在特有的能量空洞现象，对网络性能影响甚为严重。因而研究能量空洞产生的时空模型，避免方法与机制对于解决无线传感器网络的众多关键应用都有着深远的意义。本课题通过时、空系统微分建模方法以及参数优化理论建立传感器网络能量空洞特征模型。研究了网络参数、能量消耗、网络寿命间的优化关系，建立了能量空洞产生的时间、空间、网络寿命的三维特征模型。提出了一系列能量空洞避免的策略与方法。并依据课题的研究结果扩展到了无线传感器网络的多个应用。课题主要进行了如下的主要研究：(1)研究了分簇无线传感器网络能量空洞模型；(2)理论分析与研究了平面网络的能量空洞特征模型；（3）研究了基于网络参数跨层优化的能量空洞避免机制与性能优化方法；(4)提出高效路由策略设计原则及算法改进；(5)进行了多跳无线传感器网络可靠与延迟保障以及迁移与减弱能量空洞影响的方法与策略研究；(6)基于节点部署的能量空洞避免策略研究；(7)进行了事件数据路由的能量空洞避免研究；(8)无线传感器网络中基于不相交路由的安全与有效的数据收集策略研究；(9) 结合能量空洞避免，进行了抵御网络克隆攻击方面的研究；(10) 结合能量空洞避免，进行了网络安全(隐私保护)方面的研究；(11) 结合能量空洞避免，提高目标监测质量方面的研究。. 本课题在这些研究内容上取得了较好的研究成果。其中主要有：(1)深入揭示了平面与分簇无线传感器网络的能量空洞特征模型。从理论分析得到了能量空洞的时间与空间演化规律，从而可以较为准确的获得能量空洞产生的区域，大小；能量空洞发生的时间，持续的时间，以及网络所能达到的最大寿命。相对于以往的研究结果，本课题的研究结果更接近实际情况，更准确。在研究中，我们得到了一些与以往直观看法不相同的结论。这对无线传感器网络的后续研究都将产生重要的影响。(2)形成了具有特色的能量空洞避免的策略与方法。(3)结合网络的延迟、可靠性提出了网络性能优化的多种策略。(4)结合能量空洞的研究，推广到了网络的事件监测、目标监测、源节点位置隐私、网络安全(克隆攻击)等方面的研究。更重要的是：由于本课题基于传感器网络能量消耗特征的准确掌握，因而可以充分利用网络中高达90%的剩余能量，从而本课题提出的这些策略与方法很容易将网络性能大幅度的提高数倍，而这是以往研究中难以达到的。