無線傳感器網(wǎng)絡自組織算法關鍵技術的研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現(xiàn)代網(wǎng)絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等,能夠通過各類集成化的微型傳感器相互協(xié)作,實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息,通過嵌入式系統(tǒng)對信息進行處理,并通過隨機自組織無線通信網(wǎng)絡以多跳中繼方式將所感知信息傳送到用戶終端,從而真正實現(xiàn)"無處不在的計算".無線傳感器網(wǎng)絡可廣泛用于軍事、國家安全、環(huán)境科學、交通管理、反恐維和、災害預測、智能城市建設等領域.其巨大的科學意義和應用價值,

2、已經(jīng)引起了學術界、工業(yè)界和軍事部門的極大關注,成為當前熱門的研究領域.美國《技術評論》把無線傳感器網(wǎng)絡列為未來十項新興技術之首.《IEEE Spectrum》預計無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展和廣泛應用,將對人們的社會生活和產(chǎn)業(yè)變革帶來極大的影響和產(chǎn)生巨大的推動.《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要》和《國家"十一五"科學技術發(fā)展規(guī)劃》將"傳感器網(wǎng)絡與智能信息處理"提升到信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個重點領域與優(yōu)先主題,并把它列為具有前瞻性、先導性和探索性的重

3、大前沿技術. 無線傳感器網(wǎng)絡因為不依賴于固定的基礎設施,所以網(wǎng)絡節(jié)點要求具有自組織的能力.一個節(jié)點進入工作區(qū)域之后,它只能依賴于MAC層和物理層所能提供的有限機制獲得周圍一跳(one-hop)鄰居的信息,對全網(wǎng)的拓撲結構將一無所知.這時候需要有一個算法將這些分散的節(jié)點有效地組織起來,協(xié)調一致來完成某一個特定的任務,這一類的算法就叫做自組織算法.它為整個系統(tǒng)的運行構建拓撲基礎,在此之上,各種路由協(xié)議、傳輸層協(xié)議以及應用程序才能正常

4、運作,可以說,自組織算法是整個無線傳感器網(wǎng)絡的"基石". 自組織算法是與網(wǎng)絡的拓撲構建與控制聯(lián)系在一起的.一般來說,無線傳感器網(wǎng)絡的組織拓撲分為平面結構和層次結構,相應的,自組織的算法也分為基于平面結構的算法和基于層次結構的算法.層次結構與平面結構相比,在網(wǎng)絡管理、系統(tǒng)擴展性、降低系統(tǒng)開銷,提高網(wǎng)絡吞吐能力以及QoS支持等各方面都存在明顯的優(yōu)勢,所以隨著應用的增加,大規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡逐漸呈現(xiàn)出層次化的趨勢,基于層次型結構的自

5、組織算法是目前研究的重點.層次型結構的自組織算法一般包括分簇(clustering)方法與連通支配集 (Connected Dominating Sets) 方法.分簇方法是指在網(wǎng)絡規(guī)劃初期通過分布式算法將網(wǎng)絡劃分成簇頭節(jié)點與普通節(jié)點.連通支配集的方法是利用圖論中連通支配集的理論在傳感器網(wǎng)絡中構建類似于因特網(wǎng)的虛擬骨干網(wǎng)(Virtual Backbone),整個網(wǎng)絡被劃分成骨干節(jié)點集和普通節(jié)點集.在這兩種方法中,簇頭和骨干節(jié)點完成拓撲管

6、理、路由構建與維護以及資源分配等功能. 論文的第三部分研究了無線傳感器網(wǎng)絡的分布式分簇算法.首先證明了經(jīng)典IEACH算法的不確定性將會導致某些節(jié)點過快耗盡電池能量而縮短網(wǎng)絡生存期.在此基礎之上,提出了一種基于退避策略的負載均衡的分簇算法,通過自適應地調整每個節(jié)點的退避等待時間從而保證擁有較多電池能量的節(jié)點有更大的機會成為簇頭,并引入信道競爭機制來保證簇頭的均勻分布,仿真實驗表明,該算法有效延長了系統(tǒng)生命,提高了網(wǎng)絡的能耗效率.接

7、下來作者進一步擴展了以上分簇算法的研究工作,提出了一種兩參數(shù)的分布式分簇算法,該算法能夠通過參數(shù)的設置確保簇頭的均勻分布,從而避免了借助下層信道競爭機制來完成這一目的,降低了算法的實現(xiàn)復雜性.簇頭分布均勻將會大大降低普通節(jié)點成為"被動型簇頭"的可能,減少節(jié)點與基站進行遠程通信的次數(shù),節(jié)約有限的系統(tǒng)能量. 論文的第四部分研究了無線傳感器網(wǎng)絡異構分簇模型.近來提出的基于異構分簇模型的無線傳感器網(wǎng)絡,是指網(wǎng)絡中存在多種不同能力的節(jié)點,

8、能力強的節(jié)點自動成為簇頭,這種網(wǎng)絡避免了復雜的簇頭選舉過程并有效降低了普通節(jié)點的硬件復雜性和成本.但是,固定簇頭的方法會削弱系統(tǒng)的負載均衡以及魯棒性.為了解決這個問題,本文提出了一種基于自適應退避策略的簇頭調度方案,該方案通過適當增加冗余度實現(xiàn)傳感節(jié)點的k履蓋,增強了網(wǎng)絡的魯棒性.同時,依賴于地理信息和剩余電池能量信息,簇頭節(jié)點通過自主周期性睡眠來保證系統(tǒng)負載的均衡分配,延長網(wǎng)絡生存期. 在論文的第五部分,研究了基于連通支配集(

9、CDS)的虛擬骨干網(wǎng)形成算法.CDS的構造算法要盡可能地減少參與路由計算的節(jié)點數(shù)量,即生成最小連通支配集(MCDS).本文提出了一種分布式的CDS形成算法,通過去除虛擬骨干網(wǎng)中所有的三角形回路,有效減少了骨上海交通大學博士學位論文:無線傳感器網(wǎng)絡臼組織算法關鍵技術的研究干網(wǎng)中節(jié)點的數(shù)目.同時,該算法具有線性的時間和消息復雜性以及較低的實現(xiàn)復雜性.理論分析和仿真結果都顯示本文的算法優(yōu)于經(jīng)典算法. 本論文的第六部分,研究了與數(shù)據(jù)融合

10、相關的移動代理路由選擇問題.在分簇結構的傳感器網(wǎng)絡中,簇中的傳感器節(jié)點并不直接發(fā)送原始數(shù)據(jù),而是由簇頭發(fā)送移動代理到各個節(jié)點收集有用的數(shù)據(jù),實現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合.為了獲取簇中節(jié)點的數(shù)據(jù),在每一個數(shù)據(jù)融合周期內(nèi),簇頭需要事先計算好移動代理的路由,即選擇一條路線,在保證有用數(shù)據(jù)被采集到的前提下,使數(shù)據(jù)融合過程所消耗的能量最少從而最大化網(wǎng)絡生存期.考慮到傳感器節(jié)點覆蓋范圍有限以及相鄰節(jié)點測量數(shù)據(jù)強相關性的特點,本文將多跳網(wǎng)絡環(huán)境下的移動代理路由問題