面向节能的多级无线传感网拓扑控制算法研究

【摘要】：随着科技的日益发展，无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSNs)相关技术逐渐为人所熟知，已经成为科学领域研究的热点。WSNs通过随机部署在监测区域内的传感器节点之间的相互协作，完成信息的采集和传递，而拓扑控制是保证WSNs高效节能工作的一项关键技术。它通过对整体网络的组建，构建最优或次优网络拓扑，以实现数据传输。 本文针对不同的WSNs模型，即在同构环境、异构网络和有损链路模型下，分别提出合理有效的拓扑控制算法，以达到有效利用节点能量，从而延长网络生存时间的目的。 1.在同构WSNs(即部署在监测区域内的节点能耗等性能均相同)的基础上，针对降低网络能耗问题，提出树型拓扑网络每层节点数的分布概率定理，对其进行理论验证。进而设计一种基于概率分布和同层竞争的WSNs树型拓扑构建算法PCLT。该算法采用同层竞争方法选择最优父节点，并利用节点的分布概率决定是否需要进行二次唤醒，以此实现降低网络能耗，延长网络周期。 2.针对异构无线传感器网络(Heterogeneous Wireless Sensor Networks, HWSNs)模型，提出一种基于整体网络能量预测的HWSNs分簇树型算法CTEF。该算法根据中心极限定理，并结合理想的网络平均剩余能量和能量差值，预测第r轮实际网络平均剩余能量值。又以网络通信成本指导簇头选举过程，结合节点能量等参数，引导节点加盟哪一个簇。最后在簇内以簇头为中心划分簇区域，并根据节点能量及节点间相对距离，寻找中转节点。 3.基于有损链路网络模型，提出基于链路预测的WSNs拓扑控制算法LPA。该算法根据sink节点所处位置划分监测区域，并利用网络链路状态的独立性，将各分区内的链路性能值(接收信号强度指示RSSI和信噪比SNR)分别组建成马尔科夫链，计算链路状态转移矩阵，以此为依据预测下一轮的链路质量情况。同时通过模糊数学方法评价邻居节点的优劣，寻找最优节点作为活动节点，以此在小区域内组网，最后将各区域与基站(sink节点)相连，构建整体的拓扑生成树。 通过对上述研究的仿真验证，亦证明PCLT、CTEF和LPA三类算法的有效性，并且与同类算法相比，本文提出的三类算法更能延长网络生存时间。 【关键词】：无线传感器网络 拓扑构建 连通支配集 分簇算法 马尔科夫链 模糊数学
【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN929.5;TP212.9
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-16
• 1.1 背景及研究意义10-12
• 1.1.1 无线传感器网络10
• 1.1.2 无线传感器网络中的拓扑算法10-12
• 1.2 国内外现状12-14
• 1.3 论文内容与结构14-16
• 第二章 基于概率分布和同层竞争的 WSNs 树型拓扑构建算法16-32
• 2.1 系统模型16-17
• 2.1.1 网络模型16
• 2.1.2 能量模型16-17
• 2.2 节点分布理论分析17-20
• 2.3 PCLT 算法20-25
• 2.3.1 算法描述20-24
• 2.3.2 复杂性分析24-25
• 2.4 仿真实验及性能评价25-30
• 2.4.1 实验参数设置25
• 2.4.2 树层数 i 及节点概率的分析25-27
• 2.4.3 仿真结果及性能分析27-30
• 2.5 本章小结30-32
• 第三章 基于网络能量预测的 HWSNs 分簇树型算法32-46
• 3.1 异构网络模型32-33
• 3.1.1 网络模型32
• 3.1.2 能耗模型32-33
• 3.2 CTEF 算法33-39
• 3.2.1 网络平均能量估计33-36
• 3.2.2 簇头选择机制36-37
• 3.2.3 簇形成过程37
• 3.2.4 簇内成树阶段37-39
• 3.3 仿真研究及性能分析39-44
• 3.3.1 实验参数设置39
• 3.3.2 距离参数 L 的分析39-42
• 3.3.3 仿真结果与性能分析42-44
• 3.4 本章小结44-46
• 第四章 基于有损链路状态预测的 WSNs 拓扑控制算法研究46-60
• 4.1 系统模型46-47
• 4.1.1 网络模型46
• 4.1.2 链路损耗模型46-47
• 4.2 链路质量指标47-48
• 4.3 马尔科夫链理论分析48-51
• 4.4 LPA 算法设计51-55
• 4.5 仿真实验及性能评价55-59
• 4.5.1 实验参数设置55
• 4.5.2 区域节点数验证55-56
• 4.5.3 仿真结果与性能分析56-59
• 4.6 本章小结59-60
• 第五章 总结与展望60-62
• 5.1 总结60-61
• 5.2 后续展望61-62
• 参考文献62-66
• 攻读硕士学位期间的研究成果及发表的学术论文66-67
• 致谢67

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