异构无线传感器网络中的拓扑控制技术研究

摘要

微机电系统和无线通信技术的快速发展孕育了无线传感器网络。无线传感器网络可应用于布线和电源供给困难的区域、人员不能到达的区域（如受到污染的区域、环境被破坏的区域或敌对区域）等。在这些应用中，由于传感器节点的能量不易补充，如何提高能耗效率，延长网络生命期成为传感器网络研究的重大问题。 为了解决该问题，在传感器网络的各层都提出解决方法，拓扑控制作为无线传感器网络研究中的核心问题之一，对于实现高效节能，延长网络的生存时间，提高MAC协议和路由协议的效率等均具有重要意义。现有的大部分拓扑控制算法都是针对同构网络（即假定由完全相同的传感器节点组成的网络）进行的。然而，在实际应用中，传感器网络的各节点往往是不同的，即使是同一型号的节点间也存在微小的差异，它们包括能量异构、传输功率异构等特点，从而形成了异构无线传感器网络。研究表明同构传感器网络中使用的拓扑控制方法如果直接用于异构传感器网络会影响网络的连通性，双向性等特性。因此，开展异构传感器网络的拓扑控制算法的研究具有一定的实用意义。 本文针对无线传感器网络的特点及应用范围，分析了传感器网络研究中的关键因素及节点能耗特征，结合异构环境的特点，从拓扑控制的角度研究了异构无线传感器网络的高效能耗问题，提出适用于异构环境的拓扑控制算法EHC及HSTC。其中，EHC算法适用于能量异构的无线传感器网络，是一种分布式能量有效的分簇方案；在能量异构和传输功率异构的复杂异构环境中，HSTC算法针对拓扑管理技术的任务需求，提出了基于节点能量、位置关系及发射半径的拓扑建立算法和基于已有拓扑信息的拓扑维护方案。仿真实验表明，与其他算法相比，这两种算法能有效利用异构节点的特点，有较高的能耗效率，延长了网络生命期。基于HSTC的原型系统的实现说明了该拓扑控制算法的实际可行性。 论文的研究内容作为无线传感器网络技术研究的一个组成部分，旨在提高节点能量的使用效率和延长网络生命期，其结论应该能为推动传感器网络的实用化进程和构建新型的传感器网络应用提供有益的参考。

目录

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声明

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 无线传感器网络的结构

1.1.2 无线传感器网络的特点

1.1.3 无线传感器网络的关键技术

1.2 异构无线传感器网络

1.2.1 无线传感器网络的异构性表现形式

1.2.2 异构网络的性能分析

1.2.3 适用于异构无线传感器网络的相关标准

1.3 研究目标及内容

1.4 本文的主要贡献

1.5 本文的组织安排

第二章 无线传感器网络拓扑控制

2.1 网络拓扑结构

2.2 拓扑控制算法

2.2.1 相关定义

2.2.2 拓扑控制算法的优化目标

2.2.3 现有拓扑控制算法

2.2.4 拓扑控制算法面临的问题

2.3 拓扑管理技术

2.4 小结

第三章 能量异构拓扑控制算法的研究

3.1 EHC算法提出背景

3.2 问题描述及网络模型

3.2.1 基本假设

3.2.2 问题描述

3.2.3 网络模型

3.3 分簇算法的设计

3.3.1 基于剩余能量的簇头选举算法

3.3.2 处理异构节点

3.3.3 估计网络的平均能量

3.4 仿真与算法性能分析

3.4.1 OMNet++仿真介绍

3.4.2 参数设置

3.4.3 算法性能分析与比较

3.5 小结

第四章 复杂异构拓扑控制算法的研究

4.1 问题描述及网络模型

4.1.1 问题描述

4.1.2 网络模型

4.2 拓扑建立算法设计

4.2.1 拓扑发现算法

4.2.2 拓扑信息反馈算法

4.3 拓扑维护算法设计

4.3.1 k-连通簇头

4.3.2 发现关键节点

4.4 仿真与算法性能分析

4.4.1 参数设置

4.4.2 算法性能分析与比较

4.5 小结

第五章 HSTC的原型系统实现

5.1 原型基础

5.1.1 网络试验床

5.1.2 应用背景

5.1.3 节点部署

5.1 原型系统框架

5.2 报文格式

5.4 拓扑建立算法实现

5.4.1 流程图

5.4.2 主要数据结构

5.4.3 全局常量及其含义

5.4.4 主要功能实现

5.5 拓扑维护算法实现

5.5.1 基本思想

5.5.2 主要数据结构

5.5.3 主要功能实现

5.6 原型及效果

5.6.1 背景

5.6.2 光照强度监测实例

5.7 小结

第六章 论文总结和未来工作

6.1 论文总结

6.2 未来工作

致谢

参考文献

硕士阶段完成的工作