基于分簇的无线传感器网络拓扑控制算法研究

论文摘要

随着无线通信、嵌入式及传感器技术的迅速发展,无线传感器网络技术成为当前无线网络通信技术领域的研究热点。无线传感器网络是指随机分布在一定空间范围内的大规模、具备一定无线感知能力、计算处理能力和无线通信能力的微型传感器节点按一定的方式组织在一起相互通信、相互协作,完成特定监测与控制任务的智能监测网络系统。无线传感器网络通常具有节点数量巨大、分布密集、节点能量有限、能源不可再生、无线通信能力和计算处理能力有限、网络组织方式多样变化等特点,因此,在设计无线传感器网络时,其首要目标就是要在保证网络的连通性和健壮性的同时提高传感器节点的能效性,增大吞吐量,最大程度地延长整个网络的生命周期。拓扑控制是无线传感器网络的重要研究方向之一,也是提高能效性、增强网络连通性和健壮性、增大网络吞吐量、延长网络生命周期的重要手段。本文在分析和总结现有拓扑控制算法的基础上,研究了基于虚拟网格分簇的拓扑控制算法,该算法将监测区域划分为多个单元的虚拟网格,并在每个单元格内划分簇及选举簇头,并以汇聚节点为根生成最短路径树,每个簇头节点通过当前的最短路径与汇聚节点进行通信。该算法将分簇的范围划分到了每个虚拟的网格单元,并根据节点的剩余能量来选举簇头,均衡了节点能耗,延长了节点的生命周期。在上述算法的基础上,本文继续深入研究了基于节点非均匀分簇的拓扑控制算法。在该算法中,所有节点按规律分布,且将整个监测区域划分为多个网格单元,并在网格单元内建立簇。拓扑结构的生成引入通信代价为参数,生成以汇聚节点为根的具有最小通信代价的拓扑结构树,每个簇头节点通过当前的具有最小通信代价的路径与汇聚节点通信。该算法中,节点成规律分布,在一定程度上改善了热点问题,保证了网络的连通性和健壮性,实现了高效的拓扑控制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 无线传感器网络的概述
• 1.3 无线传感器节点结构
• 1.4 协议栈
• 1.5 无线传感器网络的特点
• 1.6 关键技术
• 1.7 论文结构安排与主要工作
• 2 无线传感器网络拓扑控制研究基础
• 2.1 拓扑控制算法的性能目标
• 2.2 拓扑控制算法的分类及经典算法分析
• 2.2.1 分层式拓扑控制算法
• 2.2.2 节点功率控制算法
• 2.3 本章小结
• 3 基于虚拟网格分簇的拓扑控制算法
• 3.1 引言
• 3.2 基本思想
• 3.3 能量模型及相关定义
• 3.4 算法描述与分析
• 3.4.1 虚拟网格的生成
• 3.4.2 虚拟单元网格内节点的统计
• 3.4.3 虚拟网格内簇的建立及簇头选择算法
• 3.4.4 具有最短路径的拓扑结构生成与数据传送
• 3.5 仿真与数据分析
• 3.5.1 仿真环境一
• 3.5.2 仿真环境二
• 3.6 本章小结
• 4 基于节点非均匀分簇的拓扑控制算法
• 4.1 引言
• 4.2 基本思想
• 4.3 网络模型及相关定义
• 4.3.1 能量模型
• 4.3.2 节点基本信息结构
• 4.3.3 节点成簇消息
• 4.4 算法描述与分析
• 4.4.1 节点部署
• 4.4.2 网格生成及簇的建立
• 4.4.3 最小通信代价树的拓扑生成
• 4.4.4 数据传送阶段
• 4.5 仿真与数据分析
• 4.5.1 仿真环境一
• 4.5.2 仿真环境二
• 4.5.3 仿真环境三
• 4.6 本章小结
• 5 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献