论文摘要
近年来,无线传感器网络得到越来越广泛、深入的研究。因其独有的特点和潜在的广泛应用前景,它已成为IT热点技术之一。无线传感器网络的基本特点是对基础设施要求低,节点携带的能量有限,无线通信易受干扰。因此,在无线传感器网络中最基本的问题是保证网络连通,提高网络能耗有效性,并使网络具有容错性。这些方面依然有很多问题亟待解决,网络性能有待进一步提高。在无线传感器网络中,拓扑控制是解决网络连通性、提高连通可靠性、增强容错性以及节省能耗的最有效方法之一。本文以无线传感器网络拓扑控制为研究手段,以提高网络的能耗有效性,增强连通性和容错性为目的进行深入研究,并对拓扑跨层影响进行建模分析。本文的主要研究内容和创新点包括以下几个方面:（1）综述了无线传感器网络中拓扑控制的相关研究,以算法复杂度、算法稳定性、能耗有效性以及拓扑控制的容错性为综合指标对现有拓扑控制算法进行了综合分析,归纳出拓扑控制中有待解决的问题。（2）将控制理论中的闭环控制思想引入到拓扑控制中,并且提出基于PID和模糊控制理论的两种拓扑控制算法:PIDTC和FCTP。这两种算法克服了现有基于节点度拓扑控制算法存在的收敛速度慢、算法不稳定等缺点,在提高能耗有效性和加快收敛速度方面都取得了不错的效果。（3）提出了算法复杂度低且能耗有效性高的k点连通拓扑控制算法:GAFT/LAFT。这两种算法保证网络连通的同时使网络具有容错性,以解决单连通拓扑无法满足无线传感器网络中无线链接动态性和不可靠性、休眠机制以及节点易失效的问题。而且,这两种算法同时满足了现有k连通拓扑控制算法不能同时满足的两个要求:算法复杂度低和能耗有效性高。（4）虽然k连通算法能构造具有容错性的拓扑,但设计困难、容错性有限、传输功率过高以及拓扑过于稠密等是其无法避免的不足。因此,本文引入拓扑恢复思想,并设计出低算法复杂度的LART拓扑恢复算法,使得网络具有容错性的同时保证低权重。LART所构造的稀疏拓扑具有能耗有效性高、网络容量大的优点。（5）拓扑控制、路由、MAC以及物理层的相互影响不可避免,这在很大程度上影响着网络性能。本文就拓扑控制跨层影响建立了网络容量分析模型,并对拓扑控制的跨层影响做了详细分析。（6）对于规模大、节点随机部署的无线传感器网络,软件仿真依然是进行数值分析的重要手段。考虑到网络规模大所造成的内存消耗大、仿真耗时长等特点,本文基于OMNeT++设计了R-Simulator仿真框架。该仿真框架比现有SensorSimulator仿真框架更节省内存、更贴近实际网络、更节省时耗。本文中相关研究的数值分析都是在R-Simulator框架上进行。本文将闭环控制思想引入到无线传感器网络拓扑控制中,为该领域的研究拓展了新思路;构造了低算法复杂度、高能效的k连通容错拓扑控制算法。考虑该种算法存在的不足,本文引入拓扑恢复思想,提出LART算法。最后,本文分析了拓扑控制的跨层影响,将拓扑控制纳入到无线传感器网络研究的整体中,为其提供了全局研究视角。全文由浅入深地对无线传感器网络拓扑控制做了连贯性研究。