無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋲嚎s技術(shù)研究.pdf

1、拓?fù)鋲嚎s是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中的重要問題。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是信息的采集、處理和傳輸?shù)汝P(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)功能和協(xié)議的基本前提和重要保障。拓?fù)鋲嚎s技術(shù)致力于從全局或局部的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲刑崛〕鼍哂心撤N特性的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并進(jìn)一步利用其開發(fā)高效的算法和協(xié)議?，F(xiàn)有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究大部分依賴于較強(qiáng)的假設(shè)條件，如精確的節(jié)點(diǎn)位置信息、均勻密集部署的網(wǎng)絡(luò)等，在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中這些假設(shè)條件很難滿足，因此限制了方法的實(shí)際可用性。不依賴位置信息的拓?fù)浼夹g(shù)放松了傳統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究方法對位置信息的嚴(yán)

2、格依賴。如何提高方法在節(jié)點(diǎn)位置信息不可用或部分可用、不精確情況下的可用性，成為近年來拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的熱點(diǎn)研究方向。但是在缺乏精確位置信息的情況下，通常的幾何化方法無法使用。因此，如何利用低質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)連通性信息，盡量抽取出能夠逼近網(wǎng)絡(luò)部署區(qū)域幾何特征的高效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是非常具有挑戰(zhàn)性的研究課題。本文以放松系統(tǒng)的假設(shè)條件、提高方法的可用性和效能為出發(fā)點(diǎn)，以抽取低幾何失真率的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為貫穿始終的優(yōu)化目標(biāo)，系統(tǒng)地研究了拓?fù)鋲嚎s技術(shù)中的一些重要問題。本

3、研究主要內(nèi)容包括：
　?、叛芯苛瞬灰蕾囄恢眯畔⒌耐?fù)涔歉商崛栴}。拓?fù)涔歉商崛∈峭負(fù)鋲嚎s的重要問題。目前已有的不依賴位置信息的拓?fù)涔歉商崛∷惴ㄍ蕾囉谔厥獾木W(wǎng)絡(luò)假設(shè)，或無法提取出確定性的、嚴(yán)格符合實(shí)際網(wǎng)絡(luò)形狀的拓?fù)涔歉?。本文針對現(xiàn)有方法的局限性，提出了一種僅利用局部連通性信息，具有廣泛魯棒性的拓?fù)涔歉商崛∷惴?。算法利用了僅依賴局部連通性信息的基于MDS的邊界識別算法，提出了骨干帶網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法以及高效的圖變換工具HPT，并設(shè)計(jì)了一

4、種靈活有效的骨干葉節(jié)點(diǎn)判定方法。算法能夠適用于各種不同形狀的網(wǎng)絡(luò)，提取出具有良好連通性和形狀的拓?fù)涔歉?，且對多種關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)具有良好的魯棒性。
　?、蒲芯苛瞬灰蕾囄恢眯畔⒌南x洞拓?fù)錂z測問題。蟲洞攻擊是無線自組織與傳感器網(wǎng)絡(luò)中一種嚴(yán)重的攻擊。現(xiàn)有的大部分蟲洞檢測方法依賴于特殊的硬件設(shè)備或理想的網(wǎng)絡(luò)假設(shè)，從而在很大程度上限制了這些方法的可用性。而現(xiàn)有的基于網(wǎng)絡(luò)連通性的檢測方法都是基于在離散域捕獲局部的蟲洞癥狀，或者在連續(xù)域分析全局的

5、蟲洞特征。針對現(xiàn)有方法的局限性，本文深入挖掘蟲洞攻擊對全局的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)造成的本質(zhì)影響，發(fā)現(xiàn)一種蟲洞攻擊的新癥狀，即蟲洞攻擊對網(wǎng)絡(luò)平面化造成的影響，并提出了一種僅利用局部連通性信息的蟲洞檢測方法，稱為WormPlanar。WormPlanar首次實(shí)現(xiàn)了直接從離散域捕獲蟲洞造成的全局拓?fù)浒Y狀。該方法能夠準(zhǔn)確地檢測和定位不同網(wǎng)絡(luò)條件下的蟲洞攻擊，包括之前基于連通性的檢測方法均無法處理的多蟲洞攻擊。
　?、茄芯苛寺酚陕窂接涗泦栴}。路由路徑記

6、錄是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中重要的功能，對于細(xì)粒度的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)診斷和管理具有重要的作用。現(xiàn)有的路徑記錄方法均無法在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)數(shù)據(jù)包完整路徑信息的追蹤。本文首次正式地提出并系統(tǒng)地研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由路徑記錄問題，提出了一種輕量級的、在實(shí)際的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中可用的路由路徑壓縮和恢復(fù)方法，稱為PathZip。本文設(shè)計(jì)了基于哈希的路徑壓縮和恢復(fù)機(jī)制，將大部分的計(jì)算和存儲(chǔ)開銷從傳感器節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移至基站。另外，PathZip利用了分別基于拓?fù)浜?/p>

7、基于幾何的技術(shù)，有效地降低了路徑恢復(fù)的開銷。PathZip能夠?qū)崟r(shí)地記錄每個(gè)數(shù)據(jù)包的完整傳輸路徑，且計(jì)算復(fù)雜度和存儲(chǔ)開銷均低于相關(guān)的數(shù)據(jù)壓縮算法。
　?、妊芯苛瞬痪_位置信息下的層次式貪婪地理路由問題。貪婪地理路由由于其簡單高效性在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛的研究和應(yīng)用，但其固有的局部最小問題使得純粹的貪婪地理路由無法提供傳輸保證。為了克服局部最小問題，研究者提出了大量的解決方案。這些方法具有各自的優(yōu)勢和適用范圍，在一定的假設(shè)條件

8、下有效地克服了局部最小問題。本文結(jié)合已有的各類方法的優(yōu)勢，提出了一種細(xì)粒度的層次式貪婪地理路由方法，稱為FLYER。FLYER不依賴精確的位置信息或全局的狀態(tài)信息，在節(jié)點(diǎn)位置誤差率不超過一定上限值時(shí)具有傳輸保證。FLYER方法以完全分布式的方法運(yùn)行，計(jì)算和存儲(chǔ)開銷均非常低；在貪婪路由成功率、路徑長度、負(fù)載均衡性等各項(xiàng)性能指標(biāo)上，F(xiàn)LYER均優(yōu)于之前的設(shè)計(jì)。
　　⑸對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋲嚎s的若干關(guān)鍵問題進(jìn)行了深入的研究，提出了具有高