无线传感器网络覆盖与拓扑控制理论与技术研究

论文摘要

近年来,随着微机电系统、无线通信与信息网络等技术的迅速发展,新兴的无线传感器网络（Wireless Sensor Networks,简称WSN）应运而生,将逻辑上的信息世界与真实的物理世界融合在一起,深刻地改变了人与自然的交互方式。如何根据不同的应用环境需要,对无线传感器网络采用具体的覆盖部署策略与拓扑控制方法是无线传感器网络中一个基本且首要亟待解决的问题,直接关系到传感器网络节点能量、无线网络通信带宽、网络计算处理能力等受限资源的优化分配,很大程度决定了无线传感器网络感知、监视、传感、通信等各种服务质量目标的改善。论文针对无线传感器网络中如何进行覆盖部署与实施拓扑控制方法相关关键问题进行了深入研究,主要包括四个方面的内容:首先,概括总结了近年来无线传感器网络覆盖与拓扑控制研究方向国内外相关研究成果,归纳需要研究的问题;之后,分别开展了三维空间无线传感器网络最佳覆盖、动态无线传感器网络拓扑建模和移动无线传感器网络节能拓扑控制等问题的研究。并在研究基础上,提出了解决相应问题的协议和算法,给出了分析和仿真结论。论文工作得到了国家自然科学基金项目（No.60572037）和北京交通大学优秀博士生科技创新基金项目（No.48013）的支持。论文主要创新点如下:（1）针对WSN中的三维空间随机最佳覆盖NP难（Non-deterministic Polynomial）问题,采用计算几何与图论着色方法建立了三维空间的随机最佳覆盖数学模型,给出了一种分布式启发算法,得到了完成最佳覆盖的低能量消耗路径。此基础上设计了一种可以实现WSN三维空间最佳覆盖的优化路由协议。最后进行了协议算法的性能评价以及最佳覆盖和网络生存时间的实验仿真。（2）建立了一种描述具有复杂动态变化特征的WSN新型拓扑模型。在此模型基础上采用平均场与连续分析方法进行理论分析,最终得到了该模型所描述的动态WSN拓扑平均节点度变化规律。并对网络节点度变化/概率分布、平均路径长度、群集系数及网络拥塞影响等几个可反映动态拓扑特征的参数进行了模型性能评价。同时与相关模型进行的仿真比较,验证了本论文模型的有效性、可用性和准确性。（3）提出了一种适用于移动WSN且不依赖全网信息的协作式能量有效拓扑控制协议——Co-ETC（Cooperative Energy-efficient Topology Control）。该协议以移动WSN能量优化为目标,采用计算几何数学模型工具构造协议路由图,使得网络节点只需要在本地选择通信邻居并动态调整传输半径,来构造一个全局能量有效的路由拓扑。仿真结果表明,该协议可以很好的适用于具有移动特征的WSN,并具有能量有效性特点。目前,基于Co-ETC的路由协议算法已申请了国家发明专利（专利受理号:200710121122.6）。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 论文主要研究工作
• 1.3 论文主要贡献
• 1.4 论文组织结构
• 第2章 研究背景
• 2.1 无线传感器网络
• 2.2 无线传感器网络覆盖控制
• 2.2.1 无线传感器网络覆盖控制分类
• 2.2.2 典型的无线传感器网络覆盖控制算法与协议
• 2.2.3 覆盖控制算法比较
• 2.3 无线传感器网络拓扑控制
• 2.4 选题意义
• 第3章 无线传感器网络三维空间最佳覆盖
• 3.1 引言
• 3.1.1 覆盖相关几何问题
• 3.1.2 确定性覆盖
• 3.1.3 随机覆盖
• 3.1.4 最佳覆盖
• 3.2 建模与分析
• 3.3 无线传感器网络三维空间最佳覆盖路由协议
• 3.4 仿真及结果
• 3.4.1 时间复杂度分析
• 3.4.2 最佳覆盖分析与网络生存时间比较
• 3.5 本章小结
• 第4章 动态无线传感器网络拓扑建模方法
• 4.1 引言
• 4.2 动态无线传感器网络拓扑建模
• 4.3 模型理论分析
• 4.3.1 动态WSN拓扑节点连接度变化分析
• 4.3.2 动态WSN拓扑节点连接度分布
• 4.4 性能分析
• 4.4.1 动态WSN拓扑节点连接度及分布比较
• 4.4.2 动态WSN拓扑平均路径长度比较
• 4.4.3 动态WSN拓扑群集系数比较
• 4.4.4 动态WSN拓扑拥塞影响性能分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 移动无线传感器网络拓扑控制
• 5.1 引言
• 5.1.1 拓扑控制相关数学问题
• 5.1.2 功率控制
• 5.1.3 层次型拓扑控制
• 5.1.4 休眠调度
• 5.1.5 移动性无线传感器网络拓扑控制
• 5.2 建模与分析
• 5.3 移动无线传感器网络协作式节能拓扑控制路由协议
• 5.3.1 路由建立过程
• 5.3.2 节点加入和退出过程
• 5.3.3 节点移动过程
• 5.4 协议扩展
• 5.5 仿真及结果
• 5.5.1 网络连通性
• 5.5.2 网络生存时间
• 5.5.3 端到端吞吐量
• 5.6 本章小结
• 第6章 结论
• 6.1 论文的主要研究成果
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 作者简历
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 专利申请
• 参加科研项目情况
• 学位论文数据集