无线传感器网络簇状网的研究

摘要

无线传感器网络是集成了传感器技术、微电子技术、网络通信技术而形成的全新的信息获取和处理技术,是多学科交叉的前沿研究课题,在军事、工业、医疗、交通和民用等诸多方面潜在着巨大应用价值.虽然近年来国内外取得了一些研究成果,但仍然有很多的问题需要解决.本文对层次型拓扑控制方法所形成的簇状网进行了深入研究,包括对簇状网能耗、逻辑拓扑结构的优化,以及簇树骨干网的构建.传感器节点的能量是不可再生的,如何提高效能以最大化生存期是无线传感器网络技术的首要问题,目前广泛采用基于簇的网络结构来提高运行效率.本文对单跳簇状网进行分析,根据其特点建立网络、数学模型,并在此基础上讨论几个主要网络参数与网络能耗之间的关系,并均衡、优化这些参数,以最小化网络能耗.以最小化网络能耗为目标,对簇状网逻辑拓扑的优化是一个NP一难问题.本文以遗传算法的基本思想为基础,改进了选择、交叉、变异算子,并采用二次选择的策略加快了收敛进程,从而提高算法的运算效率.仿真结果表明,可得到该优化问题的全局近似最优解.针对已有分簇算法中簇头选择不合理及传输距离过长的缺陷,本文提出了用于构建分布式簇树骨干网的EACT算法.EACT算法通过引入极大权极大独立集的概念,选择权值高、分布均匀的节点作为簇头,使得到的簇头更具合理性,从而均衡了全网的节点耗能.同时利用簇树的结构缩短了簇头发送数据的距离,达到延长网络生存期的目的.仿真结果表明,EACT能有效地提高网络生存期,具有效能高、时间复杂度和消息复杂度低的特性.

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第一章绪论

1.1无线传感器网络结构

1.2无线传感器网络的特征

1.3无线传感器网络关键技术

1.3.1硬件平台

1.3.2通信协议体系结构

1.3.3支撑管理技术

1.4主要内容及创新点

第二章簇状网的能量分析及优化

2.1引言

2.2模型的建立

2.2.1能量模型

2.2.2网络模型

2.2.3数学模型

2.3参数分析

2.4模型优化

2.4.1最小能耗转发规则

2.4.2模型计算

2.4.3模型优化

2.4.4结论

2.5本章小结

第三章簇状网逻辑拓扑的优化

3.1引言

3.2符号约定

3.3问题求解

3.4遗传算法求解步骤

3.4.1生成初始解群

3.4.2编码

3.4.3适应度计算

3.4.4遗传策略

3.4.5终止条件

3.4.6 P值的变化

3.4.7收敛性

3.5仿真与结论

3.6结论

第四章簇树骨干网的构建及算法

4.1引言

4.2相关工作

4.3模型的建立及问题描述

4.3.1模型建立

4.3.2问题描述

4.4 EACT算法描述

4.4.1基本思想

4.4.2符号说明

4.4.3消息说明

4.4.4 EACT算法流程

4.5特例

4.6算法分析

4.6.1有效性分析

4.6.2算法复杂度分析

4.7簇树骨干网的维护

4.8仿真实验

4.9结论

第五章总结和展望

5.1全文总结

5.2研究展望

参考文献

发表论文与科研情况说明

致 谢