面向应用的无线传感器网络拓扑控制及相关问题研究

摘要

无线传感器网络是集信息采集、信息传输和信息处理于一体的综合智能信息系统，是继互联网“改变人与人沟通方式”之后的“改变人与自然界沟通方式”的又一项新技术，具有广泛的应用前景和重要的研究价值。与传统无线网络不同，无线传感器网络具有全新“多对一”通信模式、强应用相关性、无固定拓扑结构以及节点资源有限等特点。这些特点使得无线传感器网络呈现较大的应用难度，同时，也使得拓扑控制成为挑战性研究课题。 拓扑控制是优化网络性能、有效延长网络生命周期的一种重要手段。拓扑控制在保证网络的连通度和覆盖度的前提下，能够有效减少通信干扰，提高MAC协议和路由协议的效率，为数据融合、时间同步等提供基础。从现有的结果看，拓扑控制研究还处于理论探索阶段，大多数研究没有考虑实际应用中的诸多困难，只作理论上的分析和小规模的模拟，研究结果缺乏足够的说服力，实用算法不多。无线传感器网络是面向应用的，结合特定的应用设计开发能量高效的拓扑控制算法不愧为一种实用有效的研究思路。本文从拓扑控制的实际应用需求出发，采用理论分析、实验仿真和原型系统验证相结合的研究方法，围绕开发实用型拓扑控制算法展开了创新性研究工作。本文首先对传感器网络拓扑控制研究进行了综述，指出拓扑控制面临的挑战。考虑到传感器网络的应用相关性，基于时空相关性理论建立了传感器网络的应用模型，通过模型分析抽象归纳了两类最为典型的无线传感器网络应用系统：多源数据采集系统和事件监测系统。通过分析这两类应用系统的特点，研究设计相应的拓扑控制策略和生命周期优化算法，并开发原型系统进行验证，为进一步的研究和应用打下基础。主要研究内容和创新点如下： 1．综述了近年来拓扑控制的最新研究成果，指出目前拓扑控制研究存在模型过于理想、对网络性能缺乏有效综合度量、拓扑控制在协议栈中的位置尚不明确等问题，明确了结合应用设计开发实用型拓扑控制算法的研究思路。 2．基于时空相关性对无线传感器网络应用系统进行了建模和分析，提炼归纳了两类典型的无线传感器网络应用系统：多源数据采集系统和事件监测系统。通过建立无线传感器网络应用模型，将所有应用通过模型参数化的方式统一到一个理论框架下，为研究和分析面向应用的无线传感器网络系统提供了模型支持。进而，为研究面向不同应用的无线传感器网络拓扑控制及相关问题奠定了理论基础。 3．针对多源数据采集类应用中传感器节点分布密集的特点，在现有二层模型基础上，提出了基于三层结构的无线传感器网络拓扑控制模型。据此设计了一种自组织成簇拓扑控制算法SOCTC。该算法能够有效均衡簇内节点的能耗，降低簇头选举的频率，减少了因维护拓扑结构产生的能耗，从而解决了二层拓扑结构模型中簇头容易过早“死亡”的问题。 4．针对多源数据采集类应用中存在的能耗热点现象，结合分簇拓扑控制网络模型，提出了两种有效均衡网络负载的节点密度控制策略，分别给出了两种策略下各簇所需备用节点以及活动节点数量的定量关系。理论分析和实验结果表明，两种策略均可以保证网络负载的均衡性，有效延长网络生命周期。 5．针对事件监测类应用基于事件驱动的特点，给出了一种用于事件监测的按需拓扑控制策略，通过将基站标定为唯一目的地址，并随机选择部分节点预先运行简化的AODV算法(S—AODV)来减小事件发生时任务节点的初始拓扑建立时延，在实现动态按需拓扑控制的同时，能够有效提高传感器网络的响应速度，满足了监测系统的实时性要求。 6．设计并开发了基于分布式无线传感器网络的目标跟踪原型系统，验证了基于扩展卡尔曼滤波的目标跟踪算法以及基于邻居节点集的协同调度策略和采用退避机制的S—AODV拓扑控制策略，为进一步应用打下了基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1 选题背景及课题意义

1.2 传感器网络及面临的挑战

1.2.1 传感器网络体系结构

1.2.2 与其他无线网络的比较

1.2.3 传感器网络研究挑战

1.3 本文主要工作

1.4 论文结构安排

1.5 本章小结

第二章无线传感器网络拓扑控制研究

2.1 引 言

2.2 拓扑控制的设计目标

2.3 传感器网络拓扑控制的分类

2.3.1 基于功率调整的拓扑控制

2.3.2 分层的拓扑控制

2.3.3 基于状态转换的拓扑控制

2.4 拓扑控制算法的比较

2.4.1 算法比较

2.4.2 亟待解决的问题

2.5 本章小结

第三章无线传感器网络应用建模与分析

3.1 引言

3.2 相关研究

3.3 传感器网络应用建模

3.3.1 传感器网络时空相关性

3.3.2 传感器网络应用模型

3.3.3 模型分析

3.4 典型应用系统

3.4.1 多源数据采集系统

3.4.2 事件监测系统

3.5 本章小结

第四章基于三层结构的无线传感器网络拓扑控制

4.1 引言

4.2 分层的网络拓扑控制模型

4.2.1 WSNs中二层结构拓扑控制模型

4.2.2 基于三层结构的拓扑控制策略

4.3 基于三层结构的自组织拓扑控制算法(SOCTC)

4.4 仿真分析

4.4.1 实验平台

4.4.2 实验结果

4.5 本章小结

第五章分簇拓扑控制中的负载平衡问题研究

5.1 引言

5.2 问题的提出

5.2.1 网络模型

5.2.2 问题描述

5.3 考虑负载均衡的节点密度控制策略

5.3.1 理论分析

5.3.2 无备用节点时的密度控制策略

5.3.3 有备用节点时的密度控制策略

5.4 实验分析

5.4.1 实验平台

5.4.2 实验结果

5.5 本章小结

第六章用于事件监测的按需拓扑控制策略设计

6.1 引言

6.2 相关研究

6.3 按需拓扑控制策略设计

6.3.1 AODV算法及其简化

6.3.2按需拓扑控制策略设计

6.4 实验分析

6.4.1 实验平台

6.4.2 实验结果

6.5 本章小结

第七章目标跟踪原型系统开发

7.1 引言

7.2 相关理论基础

7.2.1 目标测距及定位方法

7.2.2 扩展卡尔曼滤波

7.3 关键问题及技术

7.3.1 节点调度策略

7.3.2 拓扑控制策略

7.4 系统设计与实现

7.4.1 系统框架

7.4.2 节点硬件设计

7.4.3 系统软件设计

7.4.4 目标跟踪实验

7.5 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致 谢