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研究生:陳昭鳴
研究生(外文):Jhao-Ming Chen
論文名稱:無線感測網路中繼節點擺放之研究
論文名稱(外文):The Study of Relay Node placement Problems in Wireless Sensor Networks
指導教授:陳啟彰陳啟彰引用關係
指導教授(外文):Chi-Chang Chen
學位類別:碩士
校院名稱:義守大學
系所名稱:資訊工程學系碩士班
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2011
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:64
中文關鍵詞:中繼節點無線感測網路整數線性規劃
外文關鍵詞:Wireless Sensor NetworkInteger Linear ProgrammingRelay Node
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無線感測網路(Wireless sensor network,WSN)的應用很廣,舉凡醫療、軍事及居家環境等都可見到它的相關應用,而應用無線感測網路最為重要的一點,便是如何去延長整個無線感測網路的壽命,因為大多數無線感測網路主要依靠電池來供電,但電池的電力是有限的,如何節能一直都是無線感測網路的一個重要課題。
在無線感測網路中,節能有許多種方式。本論文主要在探討如何佈置中繼節點(Relay node)以達到省電的目的。由於感測節點在傳送資料時,是最為耗能的時刻,而且當隨著感測節點之間的距離增加,耗能會越來越多。如果我們能在適當的位置佈置中繼節點來幫忙轉傳資料,可以有效縮短感測節點互相傳送資料的距離,減少傳送所消耗的電量,而且可以提升整個無線感測網路的效能與壽命。
如何擺放最少的中繼節點已被證明是NP-Complete的問題,找出最佳解需要花費大量的時間做運算,所以在解決此類問題都會用到近似演算法來求近似解。我們參考J.L. Wong[1]找出最適合放置中繼節點的候選點,然後使用整數線性規劃(Integer linear programming)以求其最佳解,並提出我們的heuristic演算法來求近似解。
There are many Wireless Sensor Network (WSN) applications developing recently including the fields of medical, military and home environment, etc.. One of the most important issues to design a WSN is how to extend the lifetime the WSN, because most of WSNs rely on battery for power supply, and unfortunately battery power is usually limited.
There are many approaches for saving energy of WSNs in the literatures. In the thesis we use relay nodes to save the energy, and we aims at the placement of these relay nodes in the WSNs. The most energy consume step of a WSN is sending data, and the more the distance increase, the more the energy consume. Therefore, if we can use relay node to help transmitting information, we can effectively shorten the distance to each other while sending data.
The problem of how to use minimum number of relay nodes while covering all the sensor nodes has been shown to be an NP-Complete problem. It usually takes a long time to get the optimal solution, and therefore we focus on the approximation solutions. In the thesis, according to the reference of J.L. Wong [1], we use Integer Linear Programming technique to compute the optimal solution when the number of nodes is small. For the case of large number of sensor nodes, we derive a heuristic algorithm to get the approximation solution.
中文摘要I
英文摘要III
目錄V
圖目錄VII
表目錄X
第一章 序論1
第一節 無線感測網路簡介1
第二節 無線感測網路的應用3
第三節 影響無線感測網路的因素5
第四節 章節概要8
第二章 相關研究9
第一節 整數線性規劃和MATLAB功能簡介9
第二節 研究動機與背景11
第三節 文獻探討13
第三章 佈置中繼節點演算法28
第一節 最佳解演算法描述28
第二節 HEURISTIC演算法描述37
第四章 實驗結果與分析40
第一節 模擬環境40
第二節 數據與分析41
第五章 結論與未來展望51
參考文獻52
圖目錄
圖1. 感測節點1
圖2. 中繼節點轉傳示意圖12
圖3. 將中繼節點移至P-POSITION 14
圖4. SHRINK OPERATION 14
圖5. 中繼節點相距超過4R之情況15
圖6. 改良式THS演算法之覆蓋方式16
圖7. 改良式THS演算法16
圖8. 正三角形擺放18
圖9. 正方形擺放18
圖10. 正六邊型擺放18
圖11. 正三角形擺放增加的面積19
圖12. 正方形擺放增加的面積19
圖13. 正六邊形擺放增加的面積19
圖14. CREGIONS 21
圖15. 節點分布圖24
圖16. THE MINIMUM SET COVERING PROBLEM 24
圖17. 化簡示意圖(1)25
圖18. COMPRESS方式25
圖19. 化簡示意圖(2)26
圖20. CREGIONS區域29
圖21. 例外情況31
圖22. 中繼節點擺放位置32
圖23. 例外情況33
圖24. 感測節點範圍R=24,感測節點數量為200 個。45
圖25. 感測節點範圍R=30,感測節點數量為200 個。45
圖26. 感測節點範圍R=40,感測節點數量為200 個。46
圖27. 感測區域為480*480 公尺,感測節點數量為400、500 個。46
圖28. 感測節點範圍R=24,感測節點數量為600個。47
圖29. 感測節點範圍R=24,感測節點數量為1000個。47
圖30. 感測節點範圍R=30,感測節點數量為600個。48
圖31. 感測節點範圍R=30,感測節點數量為1000個。48
圖32. 感測節點範圍R=40,感測節點數量為600個。49
圖33. 感測節點範圍R=40,感測節點數量為1000個。49
表目錄
表1. 硬體設備。40
表2. 參數設定。40
表3. 感測範圍為R=24、感測節點數量為200個。41
表4. 感測範圍為R=30、感測節點數量為200個。41
表5. 感測範圍為R=40、感測節點數量為200個。42
表6. 感測範圍為480*480公尺。42
表7. 感測範圍為R=24、感測節點數量為600個。43
表8. 感測範圍為R=24、感測節點數量為1000個。43
表9. 感測範圍為R=30、感測節點數量為600個。43
表10. 感測範圍為R=30、感測節點數量為1000個。43
表11. 感測範圍為R=40、感測節點數量為600個。44
表12. 感測範圍為R=40、感測節點數量為1000個。44
中文部份
[1]張圻毓, 陳啟彰, "無線感測節點無縫幾何排列," 2010 資訊技術應用及管理研討會, 高雄, 台灣, Jun. 2010.
[2]Please refer to Wikipedia Web site. (http://wiki.mbalib.com/zh-tw/%E6%95%B4%E6%95%B0%E8%A7%84%E5%88%92)
英文部份
[1]B. Krishnamachari, D. Estrin, and S. Wicker , “Modeling data-centric routing in wireless sensor networks”, Proceeding of 21st Annual Joint conference of the IEEE computer and communications Societies, pp. 1-18, June 2002.
[2]I.F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam and E. Cayirci, “Wireless Sensor Networks: A Survey”, Computer Networks Journal, No. 38, pp. 393-422, 2002.
[3]J. Gehrke, S. Madden, “Query processing in sensor networks”, Pervasive Computing, IEEE, pp. 46-55, 2004.
[4]J. Pan, Y. T. Hou, Lin Cai, Yi Shi, Sherman X. Shen, “Topology Control for Wireless Sensor Networks”, Proceedings of the 9th annual international conference on Mobile computing and networking, pp. 286-299, 2003.
[5]J. Tang, B. Hao, A. Sen, “Relay node placement in large scale wireless sensor networks”, Computer Communications, Vol. 29, pp. 490-501, Feb.2006.
[6]J.L. Wong, R. Jafari, M. Potkonjak, “Gateway Placement for Latency and Energy Efficient Data Aggregation”, IEEE International Conference , pp. 490-497, Nov.2004.
[7]J.Yick, B.Mukherjee, D.Ghosal , “Wireless sensor network survey”, Computer Networks Journal , Vol. 52, pp. 2292–2330, 2008.
[8]K. Akkaya and M. Younis , “A Survey on Routing Protocols for Wireless”, Ad Hoc Networks , Vol. 3, pp. 325-349, May.2005.
[9]K. Xu, Q. Wang, H. Hassanein, G. Takahara, “Optimal Wireless Sensor Networks (WSNs) Deployment:Minimum Cost with Lifetime Constraint”, IEEE Conference Proceedings, Vol. 3, pp. 454-461, Jan.2005.
[10]K.W. Fan, S. Liu, and P. Sinha, “Data Aggregation in Wireless Sensor Networks”, springer, 2008.
[11]Please refer to Wikipedia Web site. (http://www.mathworks.com/help/toolbox/optim/ug/linprog.html)
[12]Please refer to Wikipedia Web site. (http://www.mathworks.com/help/toolbox/optim/ug/bintprog.html)
[13]Please refer to Wikipedia Web site. (http://www.nanork.org/wiki/MicaZ)
[14]R. Zheng, J. C. Hou, and L. Sha, “Asynchronous Wakeup for Ad Hoc Networks”, ACM International Symposium on Mobile Ad Hoc Networking & Computing (Mobihoc) , pp.35-45, 2003.
[15]Zong-Kai Chen, Chi-Chang Chen, "Relay node placement in wireless sensor network", The Fourth Workshop on Wireless Ad Hoc and Sensor Networks, pp.544-553, Tainan, Taiwan, Sep. 2008.
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