无线传感器网络初始化阶段分簇算法研究

论文摘要

无线传感器网络作为对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术之首,具有巨大的应用价值。而传感器网络节点只具有有限的无线通信能力和有限的电源供应能力。如何在这样有限的资源环境下获取更多的、有效的感知对象的特征信息,并把它们传输到用户节点进行处理,是目前研究的主要问题。在无线传感器网络研究之初,网络大多采用人工部署方式,节点位置及相邻关系可以精确设置,因而无须考虑网络初建阶段的自组织问题;随着无线传感器网络应用领域的日益拓展,网络规模的不断扩大,越来越多的应用不得不采用随机播撒的方式部署网络。这样的方式决定了网络在初建阶段处于无结构状态,所有的节点并不知道邻节点的位置,也不知道邻节点的数目。因此在网络开始运行之前,必须进行以建立网络初始结构为目的的初始化。无线传感器网络初期初始化必须同时解决以下两个问题:初建阶段节点间的数据传输;无结构状态下的拓扑控制建立。基于此本文重点研究了初始化阶段快速分簇算法的实用化技术和性能评估。本文首先介绍了无线传感器网络初始化阶段的研究现状和研究的必要性,然后分析了初始化阶段的特点和需要解决的关键性问题。在简要介绍了传感器网络中目前关于初始化的研究,指出在初始化阶段因其特殊性,分析出常见的分簇算法根本无法应用后,提出了一种基于竞争发包的机制作为选举簇头的方法,并对其给予了严格的证明。通过不同规模,不同节点密度下算法的仿真实验结果的分析,发现本文的簇头选举算法在性能指标上优于现有相关算法。最后是全文总结,并对无线传感器网络中初始化问题的进一步研究方向进行了探讨和展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 无线传感器网络的体系结构
• 1.3 无线传感器网络的应用
• 1.4 无线传感器网络初始化阶段的研究现状
• 1.5 本文的工作
• 2 无线传感器网络初始化问题研究
• 2.1 无线传感器网络初始化阶段网络拓扑结构建立的必要性
• 2.2 无线传感器网络初始化阶段现有研究
• 2.3 无线传感器网络初始化阶段节点模型的研究
• 2.3.1 UDG（Unit Disk Graph）模型
• 2.3.2 Quasi-UDG 模型
• 2.3.3 SNIR 模型
• 2.4 无线传感器网络初始化的目标
• 2.5 本章小结
• 3 无线传感器网络初始化快速分簇算法
• 3.1 算法的前提假设
• 3.1.1 传感器网络的性质
• 3.1.2 论述或证明中可能用到的符号定义和数学定理
• 3.2 本文算法概述
• 3.2.1 网络中节点的配置
• 3.2.2 初始工作节点个数的选择
• 3.2.3 不同节点分布模型下节点度的计算
• 3.2.4 根据节点度的期望分析网络的覆盖率
• a，状态切换时间T_b'>3.2.5 节点发包概率p、冲突竞争时间T_a，状态切换时间T_b
• 3.3 算法的详细设计
• 3.3.1 节点同步算法描述
• 3.3.2 节点异步算法描述
• 3.3.3 节点状态之间的转换
• 3.3.4 算法正确性证明
• 3.3.5 算法完整性证明
• 3.3.6 算法复杂度的计算
• 3.4 本章小结
• 4 仿真实验与分析
• 4.1 实验环境的设定
• 4.2 算法性能分析
• 4.3 本章小结
• 5 总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 今后研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读学位期间发表论文目录