无线传感器网络自组织算法关键技术的研究.pdf-硕士论文.pdf

囝博士学位论文.≥洚爻赵夫浮无线传感器网络自组织算法关键技术的研究作者姓名答辩日期论又题目学科专业指导教师通信与信息系统曹涌涛
无线传感器网络自组织算法关键技术的研究摘要无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络求具有自组织的能力。一个节点进入工作区域之后,它只能依赖于及无线通信技术、分布式信息处理技术等,能够通过各类集成化的微型传感器相互协作,实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息,通过嵌入式系统对信息进行处理,并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端,从而真正实现“无处不在的计算”。无线传感器网络可广泛用于军事、国家安全、环境科学、交通管理、反恐维和、灾害预测、智能城市建设等领域。其巨大的科学意义和应用价值,已经引起了学术界、工业界和军事部门的极大关注,成为当前热门的研究领域。美国《技术评论》把无线传感器网络列为未来十项新兴技术之首。预计无线传感器网络的发展和广泛应用,将对人们的社会生活和产业变革带来极大的影响和产生巨大的推动。《国家中长期科学和技术发展规划纲要》和《国家“十一五”科学技术发展规划》将“传感器网络与智能信息处理”提升到信息产业发展的一个重点领域与优先主题,并把它列为具有前瞻性、先导性和探索性的重大前沿技术。无线传感器网络因为不依赖于固定的基础设施,所以网络节点要愫臀锢聿闼芴峁┑挠邢藁苹竦弥甴诰拥上海交通大学博士学位论文:无线传摩器缱宰橹惴ü丶际醯难芯
分散的节点有效地组织起来,协调一致来完成某一个特定的任务,这一类的算法就叫做自组织算法。它为整个系统的运行构建拓扑基础,在此之上,各种路由协议、传输层协议以及应用程序才能正常运作,及资源分配等功能。信息,对全网的拓扑结构将一无所知。这时候需要有一个算法将这些可以说,自组织算法是整个无线传感器网络的“基石”。自组织算法是与网络的拓扑构建与控制联系在一起的。一般来说,无线传感器网络的组织拓扑分为平面结构和层次结构,相应的,自组织的算法也分为基于平面结构的算法和基于层次结构的算法。层次结构与平面结构相比,在网络管理、系统扩展性、降低系统开销,提高网络吞吐能力以及С值雀鞣矫娑即嬖诿飨缘挠攀疲随着应用的增加,大规模的无线传感器网络逐渐呈现出层次化的趋势,基于层次型结构的自组织算法是目前研究的重点。层次型结构的自组织算法一般包括分簇方法与连通支配集椒ā7执胤椒ㄊ侵冈谕绻婊跗谕ü植际剿法将网络划分成簇头节点与普通节点。连通支配集的方法是利用图论中连通支配集的理论在传感器网络中构建类似于因特网的虚拟骨干网鐾绫换殖晒歉山诘慵推胀ń诘慵在这两种方法中,簇头和骨干节点完成拓扑管理、路由构建与维护以论文的第三部分研究了无线传感器网络的分布式分簇算法。首先证明了经典惴ǖ牟蝗范ㄐ越ɑ岬贾履承┙诘愎旌木〉绯能量而缩短网络生存期。在此基础之上,提出了一种基于退避策略的上海交通大学博士学位论文:无线传感器缇首橹惴ü丶际醯难芯Ⅱ
增加冗余度实现传感节点的嫒盖,增强了网络的鲁棒性。同时,依负载均衡的分簇算法,通过自适应地调整每个节点的退避等待时间从系统生命,提高了网络的能耗效率。接下来作者进一步扩展了以上分争机制来完成这一目的,降低了算法的实现复杂性。簇头分布均匀将而保证拥有较多电池能量的节点有更大的机会成为簇头,并引入信道竞争机制来保证簇头的均匀分布,仿真实验表明,该算法有效延长了簇算法的研究工作,提出了一种两参数的分布式分簇算法,该算法能够通过参数的设置确保簇头的均匀分布,从而避免了借助下层信道竞会大大降低普通节点成为“被动型簇头”的可能,减少节点与基站进行远程通信的次数,节约有限的系统能量。论文的第四部分研究了无线传感器网络异构分簇模型。近来提出的基于异构分簇模型的无线传感器网络,是指网络中存在多种不同能力的节点,能力强的节点自动成为簇头,这种网络避免了复杂的簇头选举过程并有效降低了普通节点的硬件复杂性和成本。但是,固定簇头的方法会削弱系统的负载均衡以及鲁棒性。为了解决这个问题,本文提出了一种基于自适应退避策略的簇头调度方案,该方案通过适当赖于地理信息和剩余电池能量信息,簇头节点通过自主周期性睡眠来保证系统负载的均衡分配,延长网络生存期。在论文的第五部分,研究了基于连通支配集男槟夤歉网形成算法。墓乖焖惴ㄒ>】赡艿丶跎俨斡肼酚杉扑愕慕诘闶量,即生成最小连通支配集。本文提出了一种分布式的形成算法,通过去除虚拟骨干网中所有的三角形回路,有效减少了骨上海交通大学搏士学位论文:无线传瘩器嘲络自纰织算法关键技术的研究
题。在此基础之上,提出了一种降低能耗的近似算法。仿真结果表明,干网中节点的数目。同时,该算法具有线性的时间和消息复杂性以及较低的实现复杂性。理论分析和仿真结果都显示本文的算法优于经典算法。本论文的第六部分,研究了与数据融合相关的移动代