小世界特性在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，以Ad hoc方式組成的無線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、收集和處理傳感器網(wǎng)絡(luò)所覆蓋地理區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并將處理結(jié)果傳遞給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所面臨的主要挑戰(zhàn)是資源有限，存儲(chǔ)、計(jì)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(wǎng)絡(luò)的生命周期，滿足能量有效性是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)的概念、特點(diǎn)、應(yīng)用及其在拓?fù)淇刂品?/p>

2、面的一些研究現(xiàn)狀。其次，介紹了小世界網(wǎng)絡(luò)及其在無線網(wǎng)絡(luò)中的相關(guān)應(yīng)用。為了簡化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，?yōu)化節(jié)點(diǎn)的路由選擇，減少和均衡網(wǎng)絡(luò)能量的消耗，延長網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間，我們?cè)诨诠?jié)點(diǎn)集聚系數(shù)和邊的集聚系數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行簇優(yōu)化和分簇。接著，在分簇的基礎(chǔ)上對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能進(jìn)一步優(yōu)化，通過添加一些長程聯(lián)接減少節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的跳數(shù)，從而進(jìn)一步減少和均衡網(wǎng)絡(luò)能量的消耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。最后，針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在電力耗盡、硬件故障或者遭遇入侵等形成的節(jié)點(diǎn)失敗而對(duì)

3、網(wǎng)絡(luò)造成嚴(yán)重影響，為了對(duì)網(wǎng)絡(luò)抗毀能力進(jìn)行評(píng)估，提出一種新的抗毀評(píng)估模型，并通過仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)基于小世界的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行抗毀性評(píng)估。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是近年來迅速發(fā)展和普遍重視的新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其出現(xiàn)與發(fā)展對(duì)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)產(chǎn)生了十分深刻的影響，同時(shí)也顯著的改變了人們的觀念。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同的是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)代通信技術(shù)、微型傳感器技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有機(jī)地融合為一體，在軍事、環(huán)境監(jiān)測、家庭自動(dòng)化及其它很多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景和應(yīng)用價(jià)值。

4、 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是低功耗低價(jià)格微型嵌入式設(shè)備，其能量供應(yīng)和無線通信帶寬十分受限。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(dāng)，可能導(dǎo)致大量沖突和網(wǎng)絡(luò)擁塞，從而增加延遲，降低能量效率。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身所存在的一些特性，極易出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中部分節(jié)點(diǎn)的失效，從而直接或間接地使得原本連通的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞指?，大大降低網(wǎng)絡(luò)的覆蓋度，甚至導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)失敗，即整個(gè)網(wǎng)絡(luò)無法正常工作。本文正是基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的這

5、些特點(diǎn)，利用小世界網(wǎng)絡(luò)具有大的集聚系數(shù)和小的路徑長度這兩個(gè)良好性質(zhì)對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化與抗毀性分析。 本文的第一章介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究背景，主要包含無線傳感網(wǎng)絡(luò)的基本概念、特點(diǎn)、應(yīng)用，并且介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在拓?fù)淇刂品矫娴难芯楷F(xiàn)狀。 第二章介紹了小世界網(wǎng)絡(luò)的概念、模型及相關(guān)應(yīng)用，并且分析了目前小世界特性在無線網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)中實(shí)施

6、分層路由所采用的重要方法，尤其是傳感器節(jié)點(diǎn)受到能量和帶寬的嚴(yán)重制約。如何合理、有效地利用分簇算法使得網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量分布趨于一致，從而延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期，提高系統(tǒng)的整體性能指標(biāo)，成為當(dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域內(nèi)的熱點(diǎn)問題之一。第三章我們首先提出基于點(diǎn)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(diǎn)集聚系數(shù)的簇優(yōu)化方案：通過對(duì)邊的介數(shù)和集聚系數(shù)的分析，在網(wǎng)絡(luò)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(gè)網(wǎng)絡(luò)

7、連通的前提高下使網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大大簡化，優(yōu)化節(jié)點(diǎn)的路由選擇，減少節(jié)點(diǎn)間的干擾沖突減少網(wǎng)絡(luò)能量的消耗，并使網(wǎng)絡(luò)顯示出明顯的簇結(jié)構(gòu)，而整個(gè)網(wǎng)絡(luò)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(jié)合對(duì)平均跳數(shù)和節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的限制，結(jié)合傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量均衡機(jī)制，提出一種基于小世界模型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇算法，該方法能夠有效地減少和均衡整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量消耗，延長整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間，并且可以提高網(wǎng)絡(luò)的健壯性。最后，我們

8、做了仿真實(shí)驗(yàn)。結(jié)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(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能進(jìn)一步優(yōu)化，第四章在第三章分簇后的網(wǎng)絡(luò)模型上，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中添加長程聯(lián)接，使其同時(shí)具有小世界的大的集聚系數(shù)和小的最短路徑兩個(gè)良好性質(zhì)。線的添加是基于NIMS基礎(chǔ)設(shè)施，線的兩端各帶有一個(gè)無線收發(fā)器充當(dāng)節(jié)點(diǎn)的角色，可以收集從其它傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)，線兩端的節(jié)點(diǎn)之間通過線傳輸數(shù)據(jù)。加線后的網(wǎng)絡(luò)主

9、要是通過減少網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的傳送數(shù)據(jù)的跳數(shù)來較少能量的消耗，同時(shí)也使得網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能量的消耗更加均衡。因?yàn)樵诙嗵鵁o線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，靠近sink節(jié)點(diǎn)的那部分節(jié)點(diǎn)要頻繁為遠(yuǎn)離sink節(jié)點(diǎn)的那部分節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，因此要比其它節(jié)點(diǎn)消耗更多的能量，并且可能過早的耗盡能量造成網(wǎng)絡(luò)的不連通。通過加線，可以大大減少靠近sink節(jié)點(diǎn)的那部分節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)，使網(wǎng)絡(luò)的能量消耗更加均衡，從而延長網(wǎng)絡(luò)生存周期。我們還對(duì)所建立的網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，根據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)放置的不同

10、位置給出不同的計(jì)算公式，計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)傳送一次數(shù)據(jù)到匯聚節(jié)點(diǎn)所需要的跳數(shù)的一個(gè)上界，并將該理論值同仿真結(jié)果進(jìn)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(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量有效性有大幅度的提高。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由數(shù)量龐大的節(jié)點(diǎn)以自組織方式構(gòu)成，傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中的魯棒性、可靠性及對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性等成了傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中必須要考慮到的問題。網(wǎng)絡(luò)抗毀性是可靠性研究的重要指標(biāo)，它描述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在電力耗盡、硬件故障或者遭

11、遇入侵等形成的節(jié)點(diǎn)失敗情況下的可靠程度.對(duì)于網(wǎng)絡(luò)抗毀能力的評(píng)估，有助于發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可靠性的薄弱環(huán)節(jié)，采取有的放矢的保護(hù)策略提高網(wǎng)絡(luò)的抗毀能力。為了更精確、客觀地度量網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的抗毀性我們?cè)诘谒恼绿岢隽艘环N基于覆蓋率與連通性測度的抗毀性評(píng)估模型。從特定的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)出發(fā)，給出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)連通性的一個(gè)新測度一連通系數(shù)，在此基礎(chǔ)之上給出了抗毀性測度的新定義，針對(duì)面臨的兩種攻擊，給出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)抗毀性的兩個(gè)新測度一容錯(cuò)度和抗攻擊度，并對(duì)基