基于发射功率调整的无线传感器网络的拓扑控制

摘要

无线传感器网络是由大量节点组成的特殊的无线网络，它实现了复杂环境下的数据感测、收集与分析等功能。无线传感器网络中的节点具有体积小、计算能力有限、依靠无线电波通讯、电池供电等特点，这些特性决定了无线传感器网络要在具体环境中以最优的方式工作，还有许多亟待解决的问题。作为无线传感器网络优化的方法，拓扑控制旨在降低介质访问冲突，限制节点的邻居数目和减少每次通讯消耗的能量，并最终从整体上改善网络的扩展性、生命期、能源效率和并发通讯能力等。调整节点信号发射功率和规划节点的睡眠是拓扑控制中的主要方法。
　　 本文分析了拓扑控制在协议栈中的位置及与其它协议的关系。通过引入概率性的链路模型和链路质量估计的非确定性，提出了一种利用体现信号接收功率的RSSI信息的拓扑控制算法LQA-TC。在本文所描述的研究模型下，LQA-TC算法能够保证网络的连通性，链路的对称性，适当的平均邻居度数，并能够改进网络能源效率和平均干扰度数等。在此基础上，提出了针对网络生命期的改进方法LBA-TC。该方法通过考虑拓扑控制可能带来节点间的转发负载的差别，利用节点的剩余电量信息或保证最低邻居数目，进一步延长了拓扑控制下的网络生命期。论文对所提出的各种算法进行了仿真实验，分析了算法中各种参数对于评价指标的影响，并与其它算法进行了比较。仿真结果表明，LQA-TC在有限提高网络中节点平均度数的同时，降低了节点的平均干扰度数和网络的路径能量消耗，LBA-TC算法则在设置有效存活节点比例高于90％的条件下，明显延长了网络的生命期。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 引言

第一节 无线传感器网络的发展与意义

第二节 无线传感器网络的拓扑控制

1.2.1拓扑控制的定义

1.2.2拓扑控制研究的目标

1.2.3基于时间利用的拓扑控制

1.2.4基于空间利用的拓扑控制

第三节 本文研究内容

第四节 论文结构

第二章 相关研究与研究基础

第一节 相关研究

第二节 研究模型

2.2.1无线传感器网络的基础概念

2.2.2拓扑控制问题的描述

2.2.3信道传播模型

2.2.4链路质量的预测

2.2.5能量消耗模型

2.2.6拓扑控制的目标与评价模型

第三节 拓扑控制协议基本框架

第三章 概率链路模型下的拓扑控制

第一节 链路质量模型

3.1.1确定性链路与概率性链路

3.1.2链路质量预测模型

第二节 算法设计

3.2.1算法概述

3.2.2基于RSSI的链路质量预测

3.2.3有链路质量保证的拓扑控制决策

3.2.4本地优化的发射功率调整

3.2.5综合示例

第三节 算法分析

3.3.1算法有效性

3.3.2复杂度分析

3.3.3通讯代价分析

第四节 算法改进

3.4.1值得改进的问题

3.4.2记录目的节点的下一跳

3.4.3最佳信号发射功率的计算

3.4.4增加RSSI的统计次数

第四章 网络生命期目标下的拓扑控制

第一节 拓扑控制与网络生命期的矛盾

第二节 结合网络生命期的拓扑控制算法

4.2.1基于剩余电量的拓扑控制

4.2.2提供冗余链路的拓扑控制

第三节 算法的分析与改进

4.3.1对LBA-TC的分析

4.3.2利用流量记录代替剩余电量

4.3.3动态最低邻居数目

第五章 仿真与性能分析

第一节 仿真环境与方法

5.1.1仿真的环境与基本假定

5.1.2关于链路的假定

5.1.3 LQA-TC的仿真

5.1.4 LBA-TC的仿真

第二节 仿真结果与分析

5.2.1 LQA-TC的参数影响

5.2.2 LQA-TC与其它算法的比较

5.2.3 LQA-TC的改进算法

5.2.4 LBA-TC的仿真结果

第三节 基于仿真结果的讨论

第六章 总结与展望

第一节 总结

第二节 进一步完善的建议

参考文献

致谢

附录

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果