本文關(guān)鍵詞：面向節(jié)能和容錯的異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式拓撲控制算法研究

  更多相關(guān)文章： 異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 拓撲控制 拓撲構(gòu)建 拓撲維護 最小連通支配集 分布式 路由協(xié)議 覆蓋率 容錯性 k-連通m-支配集 數(shù)據(jù)收集 能量采集

【摘要】：隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)受到了國內(nèi)外廣泛的關(guān)注。由于受到成本和體積的限制,傳感器節(jié)點的能量一直是值得高度關(guān)注的重要問題。拓撲控制是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)約能量、增加運行時間的關(guān)鍵技術(shù),在保障網(wǎng)絡(luò)連通的基礎(chǔ)上,通過優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu),降低節(jié)點之間的通信干擾,使得網(wǎng)絡(luò)能量均衡消耗,最終達到延長網(wǎng)絡(luò)生命時間的目的。此外,節(jié)點可能部署在危險或無人值守區(qū)域,容易受到外界因素影響而失效,在考慮節(jié)能的同時還必須關(guān)注網(wǎng)絡(luò)的容錯性,當部分節(jié)點失效時仍能保證網(wǎng)絡(luò)正常運行是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中另外一個值得研究的重要課題。本文考慮傳感器節(jié)點具有不同的計算能力、通信能力和能量水平的特點,主要對拓撲控制在異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)能和容錯問題進行研究。面向節(jié)能的拓撲控制研究先從拓撲構(gòu)建方法入手,進而結(jié)合拓撲維護策略以完整的拓撲控制過程闡述如何構(gòu)建并維護網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu);然后,在優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)拓撲上研究面向節(jié)能和高覆蓋率的能量平衡的路由協(xié)議,對于延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命時間起到重要作用;最后,考慮節(jié)點容易失效的特性,從理論研究和實際應用兩個方面分別對容錯拓撲控制算法進行研究,在保障網(wǎng)絡(luò)容錯的基礎(chǔ)上盡可能地節(jié)省能量,本文的主要工作和成果如下:(1)針對當前研究普遍將拓撲控制作為拓撲構(gòu)建或拓撲維護單獨進行研究的問題,提出了啟發(fā)式算法將兩個過程進行結(jié)合,通過改進A3G算法中的適應度函數(shù)、發(fā)送消息格式和算法流程,在拓撲構(gòu)建過程中優(yōu)化求解最小連通支配集的NP-Hard問題。然后,通過定義時間、能量和故障三種不同的觸發(fā)機制,提出了一種與拓撲構(gòu)建過程相結(jié)合的拓撲維護方法A3GM。當現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)性能嚴重下降時,由Sink節(jié)點決定執(zhí)行局部拓撲修復或全局拓撲維護策略以保障網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運行。(2)為了減少路徑能耗和均衡支配節(jié)點的能量消耗,在優(yōu)化的拓撲上提出了一種由Sink節(jié)點發(fā)起的能量平衡的分布式路由協(xié)議EEVB,有效解決了ViTAMin協(xié)議只能適用于同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、產(chǎn)生支配節(jié)點數(shù)量過大、可能會出現(xiàn)非連通的網(wǎng)絡(luò)拓撲以及支配節(jié)點能耗不均衡問題。此外,考慮到高覆蓋率需求的場景,通過增加適當?shù)闹涔?jié)點對EEVB進行擴展,提出了一種滿足高覆蓋率需求的能量平衡的路由協(xié)議EEVBCov,在關(guān)閉部分網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的基礎(chǔ)上,盡可能地覆蓋整個網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控區(qū)域。(3)針對實際環(huán)境中拓撲容易頻繁重構(gòu)的特性,提出了一種具有較小通信開銷的異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式拓撲控制算法HELM,算法在所有節(jié)點都只發(fā)送一次消息的情況下就能快速構(gòu)建連通支配集,具有較高的能效性。此外,考慮到高覆蓋率需求的應用場景,HELMCov算法可以在HELM基礎(chǔ)上進行擴展,從而得到更高的網(wǎng)絡(luò)覆蓋率。(4)針對連通支配集還需要具有一定的容錯性以應對節(jié)點失效或鏈路錯誤的問題,提出了任意k和m取值的完全分布式的k-連通m-支配集構(gòu)建算法(k,m)-HELM和(k,m)-HELMCov,k-連通保證了網(wǎng)絡(luò)中支配節(jié)點之間的容錯性,m-支配則保證了普通節(jié)點與支配節(jié)點之間的容錯性。算法首先以較小的通信代價構(gòu)建節(jié)能或高覆蓋需求的連通支配集,然后采用最大獨立集的思想從剩余節(jié)點中選擇合適的節(jié)點將普通節(jié)點進行m-支配,最后在局部拓撲中通過公共鄰居節(jié)點將支配節(jié)點擴展為k-連通。(5)在帶有少量能量自補給能力節(jié)點的新型異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型中對容錯拓撲控制算法進行研究,針對算法(k,m)-HELM和(k,m)-HELMCov產(chǎn)生活躍節(jié)點過多的問題,提出了面向節(jié)能和高覆蓋需求的分布式容錯拓撲控制算法EBFT和EBFTCov。算法在不需要節(jié)點位置信息的情況下首先選擇權(quán)值較優(yōu)的節(jié)點構(gòu)建連通支配集,然后選擇容錯度較大的節(jié)點作為備份節(jié)點,最后在數(shù)據(jù)收集過程對支配節(jié)點的能耗進行均衡,不但減少了活躍節(jié)點的數(shù)量,而且保證了容錯性,同時通過平衡節(jié)點的能量消耗以延長網(wǎng)絡(luò)的生命時間。理論分析和仿真實驗均證明了上述研究結(jié)果的有效性,通過與同類協(xié)議或算法進行對比,本文所提出的算法能夠更好地減少生成的活躍節(jié)點數(shù)量并降低通信開銷,有效促進了全網(wǎng)節(jié)點的負載均衡,最終延長了網(wǎng)絡(luò)的生命時間。
【關(guān)鍵詞】：異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 拓撲控制 拓撲構(gòu)建 拓撲維護 最小連通支配集 分布式 路由協(xié)議 覆蓋率 容錯性 k-連通m-支配集 數(shù)據(jù)收集 能量采集
【學位授予單位】：浙江工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN929.5;TP212.9
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第1章 緒論13-38
• 1.1 研究背景及意義13-14
• 1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簡介14-21
• 1.2.1 網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)14-15
• 1.2.2 傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)15-16
• 1.2.3 網(wǎng)絡(luò)的特點16-18
• 1.2.4 關(guān)鍵技術(shù)18-19
• 1.2.5 應用領(lǐng)域19-21
• 1.3 拓撲控制理論21-33
• 1.3.1 拓撲控制概述21-23
• 1.3.2 拓撲控制研究的主要問題23-24
• 1.3.3 拓撲控制算法的設(shè)計目標24-25
• 1.3.4 拓撲控制算法的研究現(xiàn)狀25-33
• 1.4 本文研究的主要內(nèi)容及創(chuàng)新點33-35
• 1.5 本文的組織結(jié)構(gòu)35-38
• 第2章 面向節(jié)能的異構(gòu)WSNs分布式拓撲控制方法研究38-69
• 2.1 引言38-42
• 2.2 相關(guān)研究工作42-44
• 2.3 A3G算法分析44-46
• 2.4 系統(tǒng)模型與定義46-48
• 2.4.1 網(wǎng)絡(luò)模型46-48
• 2.4.2 相關(guān)定義48
• 2.4.3 無線通信能量模型48
• 2.5 基于反向生成CDS樹的拓撲構(gòu)建算法48-53
• 2.5.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和選擇標準48-51
• 2.5.2 算法描述51-53
• 2.6 基于Sink節(jié)點決策的拓撲維護算法53-56
• 2.6.1 觸發(fā)機制54-55
• 2.6.2 算法描述55-56
• 2.7 理論分析56-58
• 2.8 仿真實驗58-68
• 2.8.1 實驗環(huán)境及參數(shù)設(shè)置58-60
• 2.8.2 具體實驗設(shè)計60-61
• 2.8.3 實驗結(jié)果分析61-68
• 2.9 本章小結(jié)68-69
• 第3章 面向高覆蓋率的異構(gòu)WSNs能量平衡路由協(xié)議研究69-94
• 3.1 引言69-70
• 3.2 相關(guān)研究工作70-72
• 3.3 ViTAMin協(xié)議分析72-74
• 3.4 基于CDS的分布式能量平衡路由協(xié)議74-79
• 3.4.1 節(jié)點的適應度函數(shù)74-75
• 3.4.2 虛擬骨干的構(gòu)建算法描述75-77
• 3.4.3 基于能耗均衡的路由選擇策略描述77-79
• 3.5 面向高覆蓋需求場景的路由協(xié)議擴展79-81
• 3.5.1 算法描述79-81
• 3.5.2 覆蓋度的求解方法81
• 3.6 理論分析81-83
• 3.7 仿真實驗83-92
• 3.7.1 實驗環(huán)境及參數(shù)設(shè)置83
• 3.7.2 具體實驗設(shè)計83-84
• 3.7.3 實驗結(jié)果分析84-92
• 3.8 本章小結(jié)92-94
• 第4章 面向容錯的異構(gòu)WSNs的k-連通m-支配集構(gòu)建94-121
• 4.1 引言94-95
• 4.2 相關(guān)研究工作95-96
• 4.3 相關(guān)定義96-99
• 4.4 面向容錯的分布式k-連通-m支配集算法99-105
• 4.4.1 面向節(jié)能的分布式拓撲構(gòu)建方法99-101
• 4.4.2 面向高覆蓋需求場景的算法擴展101
• 4.4.3 m-支配集的分布式生成101-103
• 4.4.4 k-連通網(wǎng)絡(luò)的分布式擴展103-105
• 4.5 理論分析105-107
• 4.6 仿真實驗及分析107-119
• 4.6.1 實驗環(huán)境及參數(shù)設(shè)置107
• 4.6.2 具體實驗設(shè)計107-108
• 4.6.3 實驗結(jié)果分析108-119
• 4.7 本章小結(jié)119-121
• 第5章 帶有能量補給異構(gòu)WSNs容錯拓撲控制算法研究121-146
• 5.1 引言121-123
• 5.2 相關(guān)研究工作123-125
• 5.3 相關(guān)模型125-126
• 5.3.1 新型異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)模型125
• 5.3.2 節(jié)點能量采集模型125
• 5.3.3 數(shù)據(jù)收集應用模型125-126
• 5.4 算法描述126-133
• 5.4.1 節(jié)點的屬性定義126-127
• 5.4.2 面向節(jié)能的連通支配集分布式構(gòu)建127-130
• 5.4.3 面向覆蓋的連通支配集分布式擴展130-131
• 5.4.4 面向容錯的備份節(jié)點集分布式構(gòu)建131-132
• 5.4.5 面向節(jié)能的數(shù)據(jù)收集過程優(yōu)化132-133
• 5.5 理論分析133-136
• 5.6 仿真實驗及分析136-144
• 5.6.1 實驗環(huán)境及參數(shù)設(shè)置136-137
• 5.6.2 具體實驗設(shè)計137
• 5.6.3 實驗結(jié)果分析137-144
• 5.7 本章小結(jié)144-146
• 第6章 總論與展望146-150
• 6.1 本文總結(jié)146-148
• 6.2 后期展望148-150
• 參考文獻150-159
• 致謝159-160
• 攻讀學位期間參加的科研項目和成果160

【相似文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 張力華;霍永華;;拓撲控制算法分析與實現(xiàn)[J];計算機與網(wǎng)絡(luò);2011年12期

2 趙季紅;孫丹;;基于多業(yè)務(wù)QoS服務(wù)的拓撲控制算法研究[J];無線通信技術(shù);2011年02期

3 羅小元;閆彥霖;郝麗娟;李紹寶;關(guān)新平;;基于最優(yōu)剛性圖的能量有效分布式拓撲控制算法[J];通信學報;2013年12期

4 沈中;常義林;崔燦;張新;;一種建立可自維護且具有最小能量特性的無線網(wǎng)絡(luò)的分布式拓撲控制算法[J];計算機學報;2007年04期

5 岳菊梅;閆永義;李俊民;王維;;局部構(gòu)造鄰居最優(yōu)能耗路的拓撲控制算法[J];現(xiàn)代電子技術(shù);2007年20期

6 胡黃水;秦貴和;;基于實際無線環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲控制算法[J];吉林大學學報(工學版);2012年04期

7 任秀麗;鄧彩麗;;基于元胞自動機的無線傳感網(wǎng)拓撲控制算法[J];計算機應用;2012年06期

8 王東;鄧好;;優(yōu)化目標可變的容錯三維拓撲控制算法[J];計算機工程與科學;2014年05期

9 馮彩絨;;新型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)啟發(fā)式拓撲控制算法研究[J];煤炭技術(shù);2011年08期

10 王東;蔡小莉;李曉鴻;李發(fā);;基于準瓶頸節(jié)點的干擾優(yōu)化拓撲控制算法[J];計算機工程與應用;2011年24期

中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 曾明;胥布工;;基于分層的傳感器網(wǎng)絡(luò)自組織拓撲控制算法研究[A];第二十七屆中國控制會議論文集[C];2008年

2 劉彬;孫超;尹榮榮;郝曉辰;;WSNs中基于博弈的能量均衡分簇拓撲控制算法[A];2010振動與噪聲測試峰會論文集[C];2010年

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 馬晨明;面向節(jié)能和容錯的異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式拓撲控制算法研究[D];浙江工業(yè)大學;2015年

2 湯強;無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層次拓撲控制算法研究[D];華中科技大學;2010年

3 李曉鴻;無線自組織網(wǎng)絡(luò)拓撲控制算法和協(xié)議研究[D];湖南大學;2010年

4 胡黃水;可自維護的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲控制算法研究[D];吉林大學;2012年

5 趙楠楠;無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲控制算法研究[D];北京郵電大學;2011年

6 金鑫;無線傳感器網(wǎng)絡(luò)層次型拓撲控制算法及相關(guān)問題的研究[D];中國科學技術(shù)大學;2008年

7 張路橋;無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲控制研究[D];電子科技大學;2013年

8 馮貴年;無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中鏈路干擾與信息傳輸?shù)姆治黾皟?yōu)化[D];清華大學;2010年

9 陳輝;無線Ad Hoc路由算法和拓撲控制算法研究[D];長安大學;2014年

10 沈中;無線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)拓撲管理研究[D];西安電子科技大學;2005年

中國碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 董明如;基于節(jié)點失效的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)容錯拓撲控制算法研究[D];燕山大學;2015年

2 袁銀霞;車用網(wǎng)絡(luò)拓撲控制算法研究[D];電子科技大學;2014年

3 王倩秋;Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)有效減小干擾的拓撲控制算法研究[D];東北大學;2013年

4 孫茜;Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)抗毀容錯拓撲控制算法研究[D];東北大學;2013年

5 朱增璽;WSN中基于多波束轉(zhuǎn)換天線的網(wǎng)絡(luò)拓撲控制算法研究[D];合肥工業(yè)大學;2014年

6 王立志;基于沖突模型的拓撲算法的研究與實現(xiàn)[D];南京理工大學;2008年

7 張作鋒;基于計算機幾何圖的拓撲控制算法[D];西安電子科技大學;2009年

8 張珠華;空間信息網(wǎng)容錯拓撲控制算法的設(shè)計與實現(xiàn)[D];東北大學;2009年

9 駱平;面向不平衡能量分布的傳感網(wǎng)拓撲控制算法研究[D];南京郵電大學;2013年

10 鐘海洋;無線網(wǎng)絡(luò)中能量高效的拓撲控制算法研究[D];曲阜師范大學;2010年

，

本文編號：1063332