無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量平衡的拓撲控制研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是近年來迅速發(fā)展和普遍重視的新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它融合了傳感器、計算機科學(xué)、通信、微電子等多個領(lǐng)域的技術(shù)，具有明顯的多學(xué)科交叉特征。在國防安全、環(huán)境監(jiān)測、精細農(nóng)業(yè)、醫(yī)療保健等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有不需要固定基礎(chǔ)設(shè)施，網(wǎng)絡(luò)自組織、節(jié)點攜帶的能量有限、以數(shù)據(jù)為中心、通信易受干擾等特點，因此，保證網(wǎng)絡(luò)的連通性，提高網(wǎng)絡(luò)能耗效率，延長網(wǎng)絡(luò)的生命期是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的亟待解決的問題。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲控制不僅是其它

2、協(xié)議運行和應(yīng)用實現(xiàn)的基礎(chǔ)，還是保證網(wǎng)絡(luò)連通性、提高網(wǎng)絡(luò)能量耗效率和延長網(wǎng)絡(luò)生命期的關(guān)鍵技術(shù)。
　　 本文面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)--網(wǎng)絡(luò)拓撲控制涉及的理論和技術(shù)，針對節(jié)點能量消耗的平衡性對網(wǎng)絡(luò)生命期的影響，基于拓撲動態(tài)優(yōu)化、圖論等方法，從拓撲控制的拓撲構(gòu)建和拓撲維護兩個方面的新視角展開研究。對同構(gòu)、異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲構(gòu)建和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的靜態(tài)、動態(tài)拓撲維護提出了相應(yīng)的算法。論文研究方法與思路上力求有所創(chuàng)新，本文的研究主

3、要包括以下幾個方面：
　　 ①無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命期不僅與單個節(jié)點的能耗有關(guān)，還與整個網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點能量消耗的均衡性密切相關(guān)，針對通過平衡網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能耗實現(xiàn)有效網(wǎng)絡(luò)拓撲控制的需要，本文引入節(jié)點間通訊能量損耗和節(jié)點剩余能量等因素，建立通訊鏈路代價模型，提出了一種基于能量平衡的分布式拓撲控制算法EBDTCA。算法無需節(jié)點精確的地理位置信息，分布式地完成各節(jié)點的局部優(yōu)化拓撲，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)局部區(qū)域內(nèi)的拓撲信息實現(xiàn)節(jié)點功率調(diào)整，在此基礎(chǔ)上，完成全局拓

4、撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。EBDTCA算法是一種輕量級的、分布式的拓撲控制構(gòu)建算法。仿真表明，相比經(jīng)典的拓撲控制算法，該算法更有效延長網(wǎng)絡(luò)的生命期。
　　 ②在EBDTCA算法的基礎(chǔ)上，本文將動態(tài)拓撲優(yōu)化的思想推廣到異構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，針對異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在的單向通訊鏈路，對EBDTCA算法進行了改進，提出了EADTC算法。該算法能夠適應(yīng)由節(jié)點初始能量和通訊能力差異引起的異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，算法能夠在保證網(wǎng)絡(luò)連通性的基礎(chǔ)上，構(gòu)建具有最

5、小代價特性的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，根據(jù)節(jié)點剩余能量動態(tài)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓撲。仿真結(jié)果表明，該算法能夠顯著延長網(wǎng)絡(luò)的生命期。
　　 ③深入分析拓撲維護的觸發(fā)條件，提出了進行拓撲維護機制設(shè)計應(yīng)關(guān)注的指標。針對靜態(tài)拓撲維護中的預(yù)備方案構(gòu)建的需要，基于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分布式構(gòu)建各自的最小代價生成樹集的基礎(chǔ)上，提出了網(wǎng)絡(luò)的預(yù)備拓撲方案構(gòu)建算法，實現(xiàn)了基于時間片的靜態(tài)拓撲維護策略。靜態(tài)拓撲維護對網(wǎng)絡(luò)的實時性具有較好的適應(yīng)性。對靜態(tài)拓撲維護策略進行了仿真，結(jié)果表明基

6、本達到了節(jié)點能量的均衡消耗，并對仿真結(jié)果中出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)生命期縮短，節(jié)點剩余能量方差較大的現(xiàn)象進行了分析。
　　 ④針對動態(tài)拓撲維護與靜態(tài)拓撲維護本質(zhì)上的區(qū)別和現(xiàn)有的節(jié)點能量消耗預(yù)測模型存在假設(shè)與應(yīng)用的實際情況存在較大差距的情況，結(jié)合MAC層協(xié)議，提出了節(jié)點能量消耗預(yù)測算法；以此算法為基礎(chǔ)，引入描述網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點間能量不勻衡性的參數(shù)--節(jié)點剩余能量偏差度βVar(u)，構(gòu)建動態(tài)拓撲維護算法。該動態(tài)拓撲控制算法具有很強的適應(yīng)性。根據(jù)無線傳

7、感器網(wǎng)絡(luò)的不同應(yīng)用的要求，算法通過調(diào)整節(jié)點剩余能量偏差度βVarLimit值，實現(xiàn)對動態(tài)拓撲維護執(zhí)行的頻度進行調(diào)控，能很好地適用于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境差、存在數(shù)據(jù)包丟失的應(yīng)用，具有健壯性的特點。仿真結(jié)果表明，使用動態(tài)拓撲維護與EBDTCA算法相結(jié)合的拓撲控制，能更有效地平衡網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能量消耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生命期。
　　 本文將拓撲控制分成拓撲構(gòu)建和拓撲維護兩個部分，研究了同構(gòu)、異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基于能量平衡的拓撲構(gòu)建算法和靜態(tài)、動態(tài)拓撲維護