无线传感器网络中连通控制集问题的研究

摘要

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSNs）通常是由大规模静态或动态传感器节点在随机分布的情况下以多跳自组织的方式组建的分布式网络系统。无线网络系统中信息通信和路由分配都是由传感器节点承担。然而，一方面，节点自身的能量有限且不可再生，网络拓扑结构很容易因节点的移动或失效而发生动态变化，另一方面，基于洪泛的路由机制在消息传输时会消耗大量的网络资源，极大的降低了网络的生命周期。如何有效的设计路由拓扑协议将直接影响了网络应用的服务质量。因此，在网络中通过采用连通控制集 CDS(Connected Dominating Set)技术来构造一个虚拟骨干网 VBN(Virtual Backbone Network)以实现网络拓扑结构的分层管理成为目前该领域学术研究的热点问题。
　　在分析和总结CDS问题已有研究成果的基础上，提出了物理干扰模型下生存时间最大化的抗干扰CDS算法AIMLCDS（ Connected Dominating Set with Maximum Lifetime and Anti-interference Ability）、基于节点抗干扰权重的 CDS算法 AIWCDS（ Connected Dominating Set with Anti-Interference Weight）和基于CDS构建负载均衡的最小生成树的算法Load-Balanced MST（Load-balanced Minimum Spanning Tree）。且通过理论分析和仿真实验说明了以上改进算法的高效性和实际可操作性。
　　本文的主要创新点可概括如下：为了优化WSNs的生存时间，设计了AIMLCDS算法。现有的大多数关于CDS的工作集中于如何减小其规模，却忽略了外界干扰以及传感器节点自身权重对网络性能的影响。针对上述问题，利用遍历和染色的方法，考虑不同节点间链路的生存时间以及网络中的全局干扰，在一致功率分配下构造了改进的AIMLCDS算法，仿真结果表明，该算法在密集网络中生成的CDS规模和生存时间都明显更优。此外，为了使WSNs中节点实现更好的路由，在AIMLCDS算法的基础上构造了Load_Balanced MST算法。经过总结和分析发现，在构造生成树时，大量的工作都致力于降低通信时延或最小化能量消耗，却忽略了干扰带来的影响，即使有些工作基于协议干扰模型或基于图的干扰模型考虑了局部干扰，但却没有考虑更贴合实际的全局干扰。同时，生成树中的叶子节点确定其领导者节点时，很少有工作考虑叶子节点分配给领导者节点时的负载均衡问题。综合以上因素，本文在更符合现实要求的物理干扰模型下提出了高概率的随机分布式算法，极大的减小了控制集节点路由开销，有效的提升了网络通信带宽的利用率。

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第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2问题的提出

1.3研究现状

1.4论文研究内容和组织结构

第2章 网络模型和定义

2.1网络模型

2.2干扰模型

2.3相关图论概述

第3章 AIMLCDS：生存时间最大化的抗干扰连通控制集算法

3.1引言

3.2相关工作

3.3网络模型和相关定义

3.4 AIMLCDS算法及理论分析

3.5 仿真结果与性能比较

3.6结束语

第4章 Load_Balanced MST：负载均衡的带权生成树近似算法

4.1引言

4.2相关工作

4.3通信模型和相关定义

4.4 基于节点抗干扰权重的最小生成树构造算法（AIWMST）

4.5 Load_Balanced MST近似算法

4.6结束语

第5章 总结和展望

5.1本文工作总结

5.2工作展望

参考文献

在读期间发表的学术论文及研究成果

致谢