小世界特性在無線傳感器網絡中的應用.pdf

1、無線傳感器網絡是由大量的傳感器節(jié)點構成，以Ad hoc方式組成的無線網絡，其目的是協(xié)作地感知、收集和處理傳感器網絡所覆蓋地理區(qū)域中感知對象的信息，并將處理結果傳遞給觀察者。無線傳感器網絡所面臨的主要挑戰(zhàn)是資源有限，存儲、計算、通信能力以及帶寬傳輸能力等等的限制。因此，如何利用有限的能量資源，延長網絡的生命周期，滿足能量有效性是無線傳感器網絡迫切需要解決的問題。 本文首先系統(tǒng)地介紹了無線傳感器網絡的概念、特點、應用及其在拓撲控制方

2、面的一些研究現(xiàn)狀。其次，介紹了小世界網絡及其在無線網絡中的相關應用。為了簡化網絡拓撲，優(yōu)化節(jié)點的路由選擇，減少和均衡網絡能量的消耗，延長網絡生存時間，我們在基于節(jié)點集聚系數(shù)和邊的集聚系數(shù)對網絡進行簇優(yōu)化和分簇。接著，在分簇的基礎上對無線傳感器網絡的性能進一步優(yōu)化，通過添加一些長程聯(lián)接減少節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)的跳數(shù)，從而進一步減少和均衡網絡能量的消耗，延長網絡的生命周期。最后，針對無線傳感器網絡在電力耗盡、硬件故障或者遭遇入侵等形成的節(jié)點失敗而對

3、網絡造成嚴重影響，為了對網絡抗毀能力進行評估，提出一種新的抗毀評估模型，并通過仿真實驗對基于小世界的無線傳感器網絡進行抗毀性評估。 無線傳感器網絡是近年來迅速發(fā)展和普遍重視的新型網絡技術，其出現(xiàn)與發(fā)展對現(xiàn)代科學技術產生了十分深刻的影響，同時也顯著的改變了人們的觀念。與傳統(tǒng)網絡不同的是無線傳感器網絡將現(xiàn)代通信技術、微型傳感器技術以及網絡技術有機地融合為一體，在軍事、環(huán)境監(jiān)測、家庭自動化及其它很多領域具有廣闊的應用前景和應用價值。

4、 無線傳感器網絡節(jié)點是低功耗低價格微型嵌入式設備，其能量供應和無線通信帶寬十分受限。傳感器網絡節(jié)點密集分布，由于障礙、噪聲等其它環(huán)境因素使得其無法均勻分布，如果組織不當，可能導致大量沖突和網絡擁塞，從而增加延遲，降低能量效率。由于無線傳感器網絡自身所存在的一些特性，極易出現(xiàn)網絡中部分節(jié)點的失效，從而直接或間接地使得原本連通的網絡拓撲分割，大大降低網絡的覆蓋度，甚至導致網絡失敗，即整個網絡無法正常工作。本文正是基于無線傳感器網絡的這

5、些特點，利用小世界網絡具有大的集聚系數(shù)和小的路徑長度這兩個良好性質對無線傳感器網絡進行拓撲優(yōu)化與抗毀性分析。 本文的第一章介紹了無線傳感器網絡的研究背景，主要包含無線傳感網絡的基本概念、特點、應用，并且介紹了無線傳感器網絡在拓撲控制方面的研究現(xiàn)狀。 第二章介紹了小世界網絡的概念、模型及相關應用，并且分析了目前小世界特性在無線網絡中的研究現(xiàn)狀。從而為后面章節(jié)的探討提供必要的研究依據(jù)。 分簇算法是無線傳感器網絡中實施

6、分層路由所采用的重要方法，尤其是傳感器節(jié)點受到能量和帶寬的嚴重制約。如何合理、有效地利用分簇算法使得網絡中節(jié)點的能量分布趨于一致，從而延長網絡的生命周期，提高系統(tǒng)的整體性能指標，成為當前無線傳感器網絡研究領域內的熱點問題之一。第三章我們首先提出基于點集聚系數(shù)的簇優(yōu)化方案和基于邊集聚系數(shù)的分簇算法。我們首先研究了基于點集聚系數(shù)的簇優(yōu)化方案：通過對邊的介數(shù)和集聚系數(shù)的分析，在網絡中有選擇性地刪除一些多余的邊。仿真表明此算法能夠在保持整個網絡

7、連通的前提高下使網絡拓撲結構大大簡化，優(yōu)化節(jié)點的路由選擇，減少節(jié)點間的干擾沖突減少網絡能量的消耗，并使網絡顯示出明顯的簇結構，而整個網絡平均跳數(shù)的變化不大。我們還研究了基于邊集聚系數(shù)的分簇算法，采用虛擬刪邊和結合對平均跳數(shù)和節(jié)點個數(shù)的限制，結合傳感器網絡的能量均衡機制，提出一種基于小世界模型的無線傳感器網絡分簇算法，該方法能夠有效地減少和均衡整個無線傳感器網絡中節(jié)點的能量消耗，延長整個網絡的生存時間，并且可以提高網絡的健壯性。最后，我們

8、做了仿真實驗。結果表明我們提出的算法的能量有效性能明顯優(yōu)于其它算法。 為了對無線傳感器網絡的性能進一步優(yōu)化，第四章在第三章分簇后的網絡模型上，在無線傳感器網絡中添加長程聯(lián)接，使其同時具有小世界的大的集聚系數(shù)和小的最短路徑兩個良好性質。線的添加是基于NIMS基礎設施，線的兩端各帶有一個無線收發(fā)器充當節(jié)點的角色，可以收集從其它傳感器節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，也可以將接收的數(shù)據(jù)發(fā)送給其它傳感器節(jié)點，線兩端的節(jié)點之間通過線傳輸數(shù)據(jù)。加線后的網絡主

9、要是通過減少網絡中節(jié)點的傳送數(shù)據(jù)的跳數(shù)來較少能量的消耗，同時也使得網絡中節(jié)點能量的消耗更加均衡。因為在多跳無線傳感器網絡中，靠近sink節(jié)點的那部分節(jié)點要頻繁為遠離sink節(jié)點的那部分節(jié)點轉發(fā)數(shù)據(jù)，因此要比其它節(jié)點消耗更多的能量，并且可能過早的耗盡能量造成網絡的不連通。通過加線，可以大大減少靠近sink節(jié)點的那部分節(jié)點的轉發(fā)次數(shù)，使網絡的能量消耗更加均衡，從而延長網絡生存周期。我們還對所建立的網絡模型進行數(shù)學分析，根據(jù)匯聚節(jié)點放置的不同

10、位置給出不同的計算公式，計算出網絡中所有節(jié)點傳送一次數(shù)據(jù)到匯聚節(jié)點所需要的跳數(shù)的一個上界，并將該理論值同仿真結果進行比較，仿真表明我們的方案與分析的理論值十分接近，其對無線傳感器網絡的能量有效性有大幅度的提高。 無線傳感器網絡由數(shù)量龐大的節(jié)點以自組織方式構成，傳感器網絡設計中的魯棒性、可靠性及對環(huán)境的適應性等成了傳感器網絡設計中必須要考慮到的問題。網絡抗毀性是可靠性研究的重要指標，它描述了無線傳感器網絡在電力耗盡、硬件故障或者遭

11、遇入侵等形成的節(jié)點失敗情況下的可靠程度.對于網絡抗毀能力的評估，有助于發(fā)現(xiàn)網絡可靠性的薄弱環(huán)節(jié)，采取有的放矢的保護策略提高網絡的抗毀能力。為了更精確、客觀地度量網絡結構的抗毀性我們在第四章提出了一種基于覆蓋率與連通性測度的抗毀性評估模型。從特定的實際網絡拓撲結構出發(fā)，給出了無線傳感器網絡連通性的一個新測度一連通系數(shù)，在此基礎之上給出了抗毀性測度的新定義，針對面臨的兩種攻擊，給出了無線傳感器網絡抗毀性的兩個新測度一容錯度和抗攻擊度，并對基