基于拓扑控制与信道分配的无线传感网性能优化算法研究

摘要

无线传感器网络是物联网远景规划中重要的组成部分，在军事、环境、医疗和交通等诸多领域都潜在着巨大的应用价值，成为当前信息领域研究的热点之一。鉴于其能量有限、以数据为中心等特点，无线传感器网络需尽可能地确保能量有效利用和数据可靠传输。而优化的底层拓扑结构与信道使用情况能达到提高网络链路质量、降低网络能耗、减小网络干扰的目的，实现提高能量效率与确保网络数据可靠传输的效果。因此，研究高效的拓扑与信道算法以优化网络性能具有一定的理论和实际意义，本课题基于拓扑控制与信道分配开展了无线传感器网络性能优化算法的研究，具体研究工作如下。
　　在拓扑模型和信道模型研究基础上，本文一方面从链路稳定性和容错性的需求出发建立拓扑择优连接概率模型，从均衡网络负载的性能需求出发建立基于负载均衡的拓扑优化模型，另一方面从信道分配对拓扑的影响规律入手建立基于拓扑重要节点的抗干扰信道优化模型，从而为后续具有稳定链路的拓扑优化算法、负载均衡的拓扑优化算法以及高效的信道优化算法的设计提供指导思想和理论依据。
　　针对网络链路不稳定的问题，借助复杂网络理论提出一种幂律可调的无标度容错拓扑优化算法(APSL)。该算法通过采用接收信号强度指示度量链路上的信息传输质量，可以避免不稳定通信链路的构建。进而利用节点批量到达的增长规则和基于链路质量的择优连接规则构建拓扑，通过调节拓扑参数演化出幂率指数在(1,+∞)变化的拓扑结构，实现了对不同节点失效的容忍要求。
　　针对节点负载不均衡导致网络生命期降低的问题，从节点能量和发射功率对节点负载的影响入手建立负载均衡评价模型，提出一种兼顾节点适应度和节点效率的分布式拓扑优化算法(TOLB)。该算法采用李雅普诺夫第二法证明了负载均衡评价模型是稳定的，进而以节点发射功率为拓扑调节因子，利用评价值稳定和分布式的要求构建拓扑，减小了节点能耗、均衡了负载、延长了网络生命期。
　　针对单信道网络常常因信道冲突造成通信干扰严重的问题，引入多信道分配技术提出一种基于博弈的信道优化算法(ACBR)。该算法通过构建拓扑重要节点评价模型度量网络中各节点的重要程度，进而反映信道分配对网络拓扑的影响。然后结合路径增益、节点剩余能量和拓扑重要节点评价模型，提出信道分配的博弈模型。在此基础上引入最佳回应策略保证该算法能够收敛到纳什均衡，实现降低干扰、延长网络连通生命期的优化目标。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 无线传感器网络概述

1.2 课题研究背景及意义

1.3 WSNs拓扑与信道优化算法研究现状

1.4 论文的主要研究内容

第2章 WSNs拓扑与信道优化模型分析与建立

2.1 引言

2.2 WSNs拓扑与信道模型分析

2.3 WSNs拓扑与信道优化模型建立

2.4 本章小结

第3章 基于稳定链路的WSNs拓扑优化算法

3.1 引言

3.2 基于择优连接的拓扑演化模型建立

3.3 基于演化模型的拓扑优化算法APSL

3.4 仿真验证

3.5 本章小结

第4章 基于负载均衡评价模型的WSNs拓扑优化算法

4.1 引言

4.2 负载均衡评价模型

4.3 基于负载均衡评价模型的拓扑优化算法TOLB

4.4 仿真实验

4.5 本章小结

第5章 基于拓扑重要节点评价模型的WSNs信道优化算法

5.1 引言

5.2 拓扑重要节点评价模型

5.3 基于拓扑重要节点评价的信道分配博弈模型

5.4 基于博弈模型的信道优化算法ACBR

5.5 仿真实验

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢