三维无线传感器网络覆盖与连通机制的设计与仿真实现

论文摘要

覆盖和连通是影响无线传感器网络（Wireless Sensor Networks, WSNs）性能的两个基本因素。覆盖反映了无线传感器网络对区域或目标的监测质量,连通则决定了网络中节点之间通信的可靠程度。随着无线传感器网络应用的不断扩大和深化,越来越多应用要求网络提供更高的覆盖度和连通度,以提高监测质量和通信的可靠性。在此背景下,本文设计了k-覆盖机制以及保持网络k-连通的拓扑控制算法。目前,无线传感器网络覆盖与连通的研究主要集中在二维平面上,并且假设传感器节点随机分布。而实际应用的网络是部署在三维空间的,属于三维无线传感器网络（Three Dimensional Wireless Sensor Networks,3DWSNs）,节点常采用确定部署。因此,二维无线传感器网络相关研究的结论无法直接推广到三维无线传感器网络。基于空间镶嵌理论,本文对比分析了立方体、六角棱柱以及截八面体在节点确定部署中的网络性能,并从中选择综合性能较好的截八面体作为空间填充多面体对网络监测区域进行紧密填充。在设计k-覆盖机制的节点部署算法时,本文首先根据传感器节点的感知半径计算截八面体的大小,然后将传感器节点放置在截八面体顶点的一个子集上,考虑节点均匀分布和最小化节点个数两个方面,设计了节点随机放置策略和节点确定放置策略,保证每个截八面体内至少有k个活跃节点。针对网络运行中出现覆盖空洞而导致覆盖度下降的情况,本文设计了基于填充单元独立修复和相邻填充单元协作修复两种策略的覆盖空洞检测与修复算法。最后,针对应用于三维空间的基于圆锥拓扑控制算法（Cone-Based Topology Control, CBTC-3D）的不足,本文提出保持网络的k-连通的改进拓扑控制算法,采用二分搜索法探测邻居节点,进一步降低网络的节点度和发送功率,以实现网络节能的目的。基于NS2仿真平台,·本文对所提出的k-覆盖机制与k-连通的拓扑控制算法进行了仿真实现,并对仿真结果进行了分析。仿真结果表明,本文提出的节点部署算法及覆盖空洞的检测与修复算法有效地实现了三维无线传感器网络的k-覆盖。与现有的k-连通拓扑控制算法相比,本文提出的改进拓扑控制算法能在保持网络l-连通的条件下,降低网络的节点度和发送功率,延长网络的生存时间。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 无线传感器网络
• 1.1.1 二维无线传感器网络
• 1.1.2 三维无线传感器网络
• 1.2 无线传感器网络的覆盖与连通
• 1.2.1 二维无线传感器网络覆盖与连通
• 1.2.2 三维无线传感器网络覆盖与连通
• 1.3 三维无线传感器网络的覆盖与连通性研究现状
• 1.3.1 节点部署策略
• 1.3.2 覆盖空洞的检测与修复
• 1.3.3 拓扑控制算法
• 1.4 课题来源
• 第2章 相关理论基础
• 2.1 空间镶嵌理论
• 2.2 三维无线传感器网络的k-覆盖
• 2.3 三维无线传感器网络的k-连通
• 第3章 三维无线传感器网络k-覆盖机制设计
• 3.1 网络模型
• 3.1.1 节点模型
• 3.1.2 网络模型
• 3.2 节点部署算法
• 3.2.1 空间填充多面体的选择
• 3.2.2 网络特性分析
• 3.2.3 节点随机部署算法
• 3.2.4 节点确定部署算法
• 3.3 覆盖空洞的检测与修复算法
• 3.3.1 基于填充单元内的覆盖空洞检测与修复算法
• 3.3.2 基于相邻填充单元的覆盖空洞检测与修复算法
• 第4章 三维无线传感器网络拓扑控制算法
• 4.1 网络k-连通判断条件
• 4.2 保持网络k-连通的改进拓扑控制算法
• 4.2.1 邻居节点探测过程
• 4.2.2 节点发送功率调整过程
• 4.2.3 基于保持网络k-连通的改进拓扑控制算法流程
• 第5章 仿真实现与性能分析
• 5.1 仿真平台
• 5.1.1 NS2的基本框架
• 5.1.2 NS2的功能扩展
• 5.2 仿真实现
• 5.2.1 节点部署算法
• 5.2.2 覆盖空洞的检查与修复
• 5.2.3 基于保持网络k-连通的改进拓扑控制算法
• 5.3 性能评价
• 5.3.1 相关参数设置
• 5.3.2 基准算法
• 5.3.3 性能评价结果
• 第6章 结束语
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文