無線傳感器網絡覆蓋與拓撲控制理論與技術研究.pdf

1、近年來，隨著微機電系統(tǒng)、無線通信與信息網絡等技術的迅速發(fā)展，新興的無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks，簡稱WSN)應運而生，將邏輯上的信息世界與真實的物理世界融合在一起，深刻地改變了人與自然的交互方式。如何根據(jù)不同的應用環(huán)境需要，對無線傳感器網絡采用具體的覆蓋部署策略與拓撲控制方法是無線傳感器網絡中一個基本且首要亟待解決的問題，直接關系到傳感器網絡節(jié)點能量、無線網絡通信帶寬、網絡計算處理能力等受限資源的優(yōu)化

2、分配，很大程度決定了無線傳感器網絡感知、監(jiān)視、傳感、通信等各種服務質量目標的改善。 論文針對無線傳感器網絡中如何進行覆蓋部署與實施拓撲控制方法相關關鍵問題進行了深入研究，主要包括四個方面的內容：首先，概括總結了近年來無線傳感器網絡覆蓋與拓撲控制研究方向國內外相關研究成果，歸納需要研究的問題；之后，分別開展了三維空間無線傳感器網絡最佳覆蓋、動態(tài)無線傳感器網絡拓撲建模和移動無線傳感器網絡節(jié)能拓撲控制等問題的研究。并在研究基礎上，提出

3、了解決相應問題的協(xié)議和算法，給出了分析和仿真結論。論文工作得到了國家自然科學基金項目(No.60572037)和北京交通大學優(yōu)秀博士生科技創(chuàng)新基金項目No.48013)的支持。論文主要創(chuàng)新點如下： (1)針對WSN中的三維空間隨機最佳覆蓋NP難(Non-deterministic Polynomial)問題，采用計算幾何與圖論著色方法建立了三維空間的隨機最佳覆蓋數(shù)學模型，給出了一種分布式啟發(fā)算法，得到了完成最佳覆蓋的低能量消耗路

4、徑。此基礎上設計了一種可以實現(xiàn)WSN三維空間最佳覆蓋的優(yōu)化路由協(xié)議。最后進行了協(xié)議算法的性能評價以及最佳覆蓋和網絡生存時間的實驗仿真。 (2)建立了一種描述具有復雜動態(tài)變化特征的WSN新型拓撲模型。在此模型基礎上采用平均場與連續(xù)分析方法進行理論分析，最終得到了該模型所描述的動態(tài)WSN拓撲平均節(jié)點度變化規(guī)律。并對網絡節(jié)點度變化/概率分布、平均路徑長度、群集系數(shù)及網絡擁塞影響等幾個可反映動態(tài)拓撲特征的參數(shù)進行了模型性能評價。同時與相

5、關模型進行的仿真比較，驗證了本論文模型的有效性、可用性和準確性。 (3)提出了一種適用于移動WSN且不依賴全網信息的協(xié)作式能量有效拓撲控制協(xié)議——Co-ETC(Cooperative Energy-efficient Topology Control)。該協(xié)議以移動WSN能量優(yōu)化為目標，采用計算幾何數(shù)學模型工具構造協(xié)議路由圖，使得網絡節(jié)點只需要在本地選擇通信鄰居并動態(tài)調整傳輸半徑，來構造一個全局能量有效的路由拓撲。仿真結果表明，