基于无标度理论的无线传感器网络抗毁性优化方法

摘要

部署在恶劣环境和受能量资源的限制，无线传感器网络（WSNs）常面临着失效的威胁，而节点失效的网络拓扑会造成网络连通性及覆盖服务质量降低，甚至严重影响到网络正常的应用功能。因此，网络的能效和抗毁性能成为了WSNs拓扑设计时应优先考虑的关键问题。由于在无标度理论的基础上构建的拓扑结构不需要添加冗余链路，就可以满足恶劣环境等对拓扑容错性能的需求，能较好的适用于WSNs的部署环境中。另外，无标度网络面对蓄意攻击的脆弱性表明无标度网络抗毁性能的设计存在不足。本文从网络拓扑模型的构建和优化两个角度来提高WSNs的抗毁性能，做了以下的研究工作：
　　（1）针对WSNs中常出现的导致节点失效的能耗“热区问题”，从一个新的角度出发，提出了基于加权的局域世界WSNs动态演化模型。该模型通过拓扑特征参数与动态权值共同驱使网络的拓扑演化，在优先连接机制中并把节点的局域性、节点的适应度、节点的剩余能量和负载均衡等多方面的因素考虑进去，得到了能量有效和负载均衡的抗毁性拓扑结构，简称 LAEAL。仿真结果表明该网络的度分布及负载分布较为均匀，且在面对随机攻击与蓄意攻击都表现出较好的抗毁性，较高的传输效率及连通性。
　　（2）针对具有无标度特性的WSNs面对蓄意攻击脆弱性的问题，提出了抗毁性优化的WSNs无标度拓扑模型。该优化模型分为两个阶段进行构建，第一阶段，提出了基于Poisson增长的可变吸引度的拓扑演化模型，同时引入了连通度调节参数和吸引度调节参数，得到一个幂率指数在[3,+∞)内可调的无标度WSNs演化模型。第二阶段，通过引入随机失效阈值与网络结构熵，分析度分布特征对网络抗毁性的影响，建立关于拓扑参数的数学优化模型，得到最优拓扑参数值，并应用到第一阶段的演化模型中。最后，优化的网络拓扑模型维持了随机失效的强容错性的同时，最大化网络蓄意攻击下的抗毁性，提升了具有无标度结构的WSNs在不同攻击策略下的抗毁性能。

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第一章绪论

1.2无线传感器网络抗毁性研究现状

1.3主要研究内容与章节安排

第二章 无线传感器网络及无标度网络

2.1无线传感器网络概述

2.2无标度拓扑演化模型

2.3基于无标度理论的无线传感器网络拓扑演化模型

2.4小结

第三章 加权的无标度抗毁性拓扑演化模型

3.3 LAEAL拓扑演化机制

3.4无线传感器网络的抗毁性测度

3.5仿真实验与性能分析

3.6本章小结

第四章 具有可调幂率指数的无标度抗毁性优化模型

4.2 PSFBRA演化模型

4.3具有综合抗毁性能的优化模型

4.4优化方法在PSFBRA中的应用及仿真分析

4.5本章小结

第五章 总结与展望

5.2展望

参考文献

致谢

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