無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層次型拓撲控制算法及相關(guān)問題的研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種通過組織大量具備感知、計算和無線通信能力的微型傳感器節(jié)點協(xié)作地對物理區(qū)域中的事件進行監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集的新型網(wǎng)絡(luò)，其逐漸展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用前景。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點是節(jié)點硬件資源受限、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模巨大、拓撲動態(tài)變化、網(wǎng)絡(luò)自組織和以數(shù)據(jù)為中心，而節(jié)能和延長網(wǎng)絡(luò)生命周期是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的中心議題。層次型拓撲控制算法在滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋度和連通度的前提下，通過選擇部分節(jié)點處于工作狀態(tài)并同時讓剩余節(jié)點進入休眠狀態(tài)，形成一個優(yōu)化的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)

2、發(fā)結(jié)構(gòu)，從而達到提高網(wǎng)絡(luò)性能和降低網(wǎng)絡(luò)能耗的目的。層次型拓撲控制算法主要分為兩類：連通型和覆蓋型。 本文對傳感器網(wǎng)絡(luò)層次型拓撲控制算法及其相關(guān)問題進行了研究： 首先，本文提出了一種新穎的連通型層次拓撲控制算法：基于可連Cell的拓撲控制算法(CCTC)。通過分析當(dāng)前基于Cell的層次型拓撲控制算法的局限性，本文首先提出了1-con方法：當(dāng)一個Cell的頭節(jié)點被加入當(dāng)前骨干網(wǎng)時，所有其可以連接的Cell使用該節(jié)點連入拓撲結(jié)

3、構(gòu)，而該新骨干網(wǎng)以分布式遞歸的方式繼續(xù)擴大。然后，本文基于1-con思想設(shè)計了CCTC，并從理論上證明了CCTC不僅可以保證其所形成的拓撲結(jié)構(gòu)維持網(wǎng)絡(luò)連通，而且每一輪用于形成骨干網(wǎng)的工作節(jié)點很少，因此顯著降低了網(wǎng)絡(luò)工作能耗。CCTC的計算復(fù)雜度是線性的，空間復(fù)雜度和信息交換量為常數(shù)量級，非常適合傳感器網(wǎng)絡(luò)使用。實驗結(jié)果同樣表明，CCTC可以在提供良好魯棒性和較少的消息交換量的情況下，更有效地節(jié)省節(jié)點能耗并延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。 其次

4、，本文研究了傳感器網(wǎng)絡(luò)及普通節(jié)點，應(yīng)當(dāng)基于什么標(biāo)準(zhǔn)來進行連通型拓撲控制方式或覆蓋型拓撲控制方式的選擇的問題。當(dāng)前，這兩類拓撲算法的研究主要集中于如何優(yōu)化各自的網(wǎng)絡(luò)節(jié)能效果和算法復(fù)雜度，但是對于何時該選用連通型或覆蓋型拓撲控制算法并沒有理論上的分析。本文通過分析發(fā)現(xiàn)：隨著物理事件發(fā)生頻率的增長，采用覆蓋型的方式比連通型的方式更加節(jié)能，反之亦然。通過定義物理事件發(fā)生密度ρ<,e>——單位時間單位面積的物理事件發(fā)生次數(shù)，本文首先在物理事件均勻

5、分布的前提下推導(dǎo)出閾值ρ<,e>*，即如果物理事件的發(fā)生密度ρ<,e>≥ρ<,e>*，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)當(dāng)選用覆蓋型算法，否則選用連通型算法；進而，本文得出普通節(jié)點的行為決策標(biāo)準(zhǔn)K<'*>，即如果其在一個周期T內(nèi)，感應(yīng)到物理事件e的總次數(shù)k滿足k≥k<'*>，那么它就參與工作節(jié)點集合的覆蓋算法，反之則休眠。仿真實驗驗證了本文分析的理論結(jié)果在拓撲控制算法的選擇和節(jié)點的行為決策中具有一定指導(dǎo)意義。基于以上理論結(jié)果，本文提出了一種基于Cell以感知質(zhì)量(

6、QoSE)為中心的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲控制算法(CQCTC)，該算法在連通型和覆蓋型兩類算法中取得了一個平衡。本文首先提出了感知質(zhì)量(QoSE)的概念——感知質(zhì)量由節(jié)點感知到物理事件的頻率和信號強度共同決定；普通節(jié)點通過對自己在下一個周期QoSE的預(yù)測結(jié)果來判斷自己是否可以成為合法的候選工作節(jié)點，接下來每個Cell的頭節(jié)點(CH)收集QoSE合法節(jié)點的覆蓋情況，并選擇一個優(yōu)化子集來覆蓋物理事件高發(fā)區(qū)域同時讓剩余節(jié)點睡眠。通過仿真實驗發(fā)現(xiàn)，

7、CQCTC算法改善了連通型拓撲控制算法和覆蓋型拓撲控制算法各自的缺點，允許傳感器網(wǎng)絡(luò)根據(jù)目標(biāo)/事件的分布范圍和發(fā)生頻率動態(tài)調(diào)整拓撲結(jié)構(gòu)，從而降低了每輪的工作能耗而且提高的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確率。 最后，本文研究了異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)的QoS路由算法。因為對于連續(xù)型查詢或者快照查詢的應(yīng)用，用戶可能對于關(guān)鍵數(shù)據(jù)的傳輸設(shè)定定量的延遲約束，本文針對該應(yīng)用在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型中提出了滿足并行查詢延遲約束的最小能耗路由問題，并設(shè)計了一種分布式層次型路由協(xié)議。本文通