无线传感器网络自适应拓扑控制研究

摘要

拓扑控制是无线传感器网络研究的核心问题之一。以高密度部署的无线传感器网络通过基于覆盖控制的节点调度、功率控制等手段，在不影响网络覆盖性、连通性的前提下，减少网络中活跃节点的数量，减小节点发射功率，减少信道冲突，降低了节点的能耗，从而达到延长网络生存时间的目的。 本文为解决网络能耗瓶颈问题进而延长网络生存时间，分别从覆盖控制、功率控制和与其他层协议相结合三个方面进行研究，提出了自适应节点调度算法、非均匀功率控制算法和与路由相结合的拓扑控制机制。 一、节点自适应覆盖调度算法，节点通过对最远盲区顶点的覆盖方法降低网络的覆盖冗余，在仅根据邻居信息和保证网络覆盖要求的前提下，逐层扩散调度命令，尽可能使更多的节点休眠。在预定的网络模型下，算法执行后极大的降低了网络的覆盖冗余，减轻了由于冗余数据造成的网络负担。 二、非均匀功率控制算法，为解决由于功率控制而加剧的“热区问题”，算法通过SINK节点逐层向外建立梯度用于控制功率控制协议中的邻居密度控制因子，在降低网络发射功耗和保持网络连通度中寻找折衷方案。仿真证明方案使得网络的负载均衡性得到了很大的提高，为路由协议和MAC协议提供了基础，有效的缓解了“热区问题”。 三、与路由协议相结合的拓扑控制机制，由于网络拓扑结构的改变将影响到路由路径长度以及节点间的连通性，所以路由协议与拓扑控制协议有密切的关系，算法通过设计的权重函数和节点类别转换机制使得数据在路由的过程中充分考虑节点休眠状态、路由历史、当前能量等相关信息并在路由的过程中进行功率的适应性调整，充分利用拓扑控制信息提高网络数据通信的负载均衡性，延长网络生存时间，仿真实验证明拓扑控制与路由协议的结合能大大延长网络的生存时间。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1无线传感器网络概述

1.1.1概念和特点

1.1.2体系结构

1.1.3关键技术

1.2研究背景和研究意义

1.3研究内容

1.4论文组织结构

第2章无线传感器网络的拓扑控制

2.1自适应拓扑控制的研究现状

2.1.1覆盖控制

2.1.2功率控制

2.2拓扑控制的节能策略

第3章自适应覆盖控制与节点调度算法设计

3.1自适应覆盖调整算法

3.1.1网络模型假设

3.1.2算法分析与设计

3.1.3传感半径调整算法

3.1.4 K覆盖传感半径调整算法

3.2 K覆盖节点调度算法

3.2.1基于传感半径调整的节点调度算法相关定义

3.2.2算法详述

3.3仿真分析

3.3.1调整效果对比

3.3.2覆盖冗余度

3.3.3活跃节点个数

3.3.4区域平均能耗

第4章非均匀功率控制算法设计

4.1基于邻近图的功率控制算法

4.1.1基于邻近图的功率控制算法DRNG

4.1.2"热区"效应

4.2非均匀功率调整算法概述

4.2.1 NUPS邻居的选取

4.2.2算法详述

4.3仿真分析

4.3.1调整效果

4.3.2网络连通性和负载均衡度

4.3.3吞吐量

4.4功率控制对对网络造成的影响

第5章与路由协议相结合的拓扑控制

5.1研究现状

5.2能量消耗不均衡问题

5.3相关定义与分析

5.3.1节点的分类与节点类别转换

5.3.2权重函数

5.3.3路由环路的避免和"路由空洞"的迂回

5.4算法详述

5.5仿真分析

5.5.1网络时延与能耗均衡度

5.5.2网络生存时间

总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果