无线传感器网络拓扑控制算法研究

论文摘要

无线传感器网络能够协作感知,采集网络分布区域内各种监测对象的信息,并对这些信息进行处理,最终传送到用户端,在新一代网络中具有关键性作用。由于传感器网络节点能量受限,为延长网络生存周期,拓扑控制算法成为近年来无线传感器网络的研究热点。这类算法的作用是通过种种手段对网络拓扑进行改造,减小节点的能耗,延长网络的生存周期。无线传感器网络的另一特点是没有基站一类的基础设施,众多节点在软硬件上同构,通过自组织而形成网络。分布式算法非常适合这一特点。因此,本文重点研究基于本地信息的分布式拓扑控制算法。我们称基于常数跳内收集到的信息而运行的算法为本地化算法。拓扑控制算法改造网络拓扑的方式主要有两大类：一种是通过调整节点发射功率来减小节点能耗,降低通信干扰。另一种是通过构造骨干网将网络分层,网络中的节点轮流负责转发数据,均衡节点间能量消耗,延长网络寿命。前一类算法形成的网络拓扑是平面的,后一类算法构造了层次型的拓扑。通过研究拓扑形态对拓扑控制算法在网络生存周期内的能耗的影响,我们发现层次型的拓扑结构,使得算法的能耗更优,进一步的分析表明,树型结构的骨干网不能实现本地化维护,能耗较差。以这两个结论为依据,我们提出了构建网状的连通控制集作为骨干网的Meshed CDS算法,它在大多数情况下能够实现本地化拓扑维护,算法运行的能耗较低。考虑到骨干网节点能耗高于其它节点,减小骨干网节点数量也是延长网络生存时间的必要手段。我们提出的网状连通控制集MESH-CDS算法,不但能够实现完全的本地化拓扑维护,而且骨干网节点数量相对于网状结构的连通控制集Meshed CDS算法大大减小。更有价值的是,该算法不需要节点在之间同步运行,这非常适合节点能量动态变化的无线传感器网络。最后我们提出节点数量缩减的网状连通控制集DMESH-CDS算法,它优先选择节点度数更大的节点成为骨干网节点,在网状连通控制集MESH-CDS算法基础上对骨干网的大小做了进一步的削减。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 无线传感器网络概述
• 1.2.1. 无线传感器网络体系结构
• 1.2.2. 无线传感器网络特点
• 1.2.3. 无线传感器网络应用
• 1.3 无线传感器网络的历史与现状
• 1.3.1. 无线传感器网络的研究历史
• 1.3.2. 国外无线传感器网络的研究现状
• 1.3.3. 国内无线传感器网络的研究现状
• 1.4 无线传感器网络关键技术
• 1.5 无线传感器网络所面临的挑战和发展方向
• 1.5.1. 无线传感器网络所面临的挑战
• 1.5.2. 无线传感器网络所面临的发展趋势
• 1.6 论文研究内容及创新点
• 1.7 论文的结构安排
• 1.8 本章参考文献
• 第2章 无线传感器网络拓扑控制概述
• 2.1 研究对象及意义
• 2.1.1. 问题的提出
• 2.1.2. 研究对象
• 2.1.3. 研究意义
• 2.2 平面型拓扑控制算法
• 2.2.1. 基本分类
• 2.2.2. 协议举例
• 2.3 层次型拓扑控制算法
• 2.3.1. 基本分类
• 2.3.2. 协议举例
• 2.4 其它算法
• 2.4.1. 层次型算法与功率控制相结合
• 2.4.2. 自适应的节点活动算法
• 2.5 本章小结
• 2.6 本章参考文献
• 第3章 拓扑结构对拓扑控制算法能耗的影响
• 3.1 引言
• 3.2 典型的算法
• 3.2.1. 单纯全局结构算法G.O.
• 3.2.2. 全局本地结构算法G.&L.
• 3.3 拓扑结构维护相关问题
• 3.3.1. 树型结构的维护方式
• 3.3.2. 创建连通控制集的条件
• 3.4 不同类型拓扑控制算法能耗比较
• 3.4.1. 能耗模型
• 3.4.2. 仿真分析
• 3.5 MIS-Tree算法的改进
• 3.6 结论
• 3.7 本章小结
• 3.8 本章参考文献
• 第4章 本地化拓扑控制算法的改进
• 4.1 引言
• 4.2 完全本地化维护的MESH-CDS
• 4.2.1. 拓扑初始化过程
• 4.2.2. 拓扑维护过程
• 4.2.3. 仿真分析
• 4.3 节点数量缩减的DMESH-CDS
• 4.3.1. DMESH-CDS算法
• 4.3.2. 仿真分析
• 4.4 本章小结
• 4.5 本章参考文献
• 第5章 总结与展望
• 5.1 论文工作总结
• 5.2 下一步的工作建议
• 缩略词
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术著作