可生存的傳感網(wǎng)拓撲控制方法研究.pdf

1、可生存拓撲控制是無線傳感器網(wǎng)絡的重要支撐技術之一，能夠增強惡劣/惡意環(huán)境下的傳感器網(wǎng)絡拓撲結構的可生存能力，延長傳感器網(wǎng)絡的工作壽命，提高服務質(zhì)量。無線傳感器網(wǎng)絡可生存拓撲控制主要是針對惡劣環(huán)境下因節(jié)點失敗導致的拓撲分裂，研究如何維持拓撲的可生存能力，以減少節(jié)點失敗對拓撲可生存性的影響。
　　 近年來，隨著微機電技術的迅猛發(fā)展，傳感器節(jié)點的硬件性能不斷增強，在節(jié)點計算能力、供電能力和通信能力等方面都有了長足提高。但是，工作在惡劣

2、/惡意環(huán)境下的節(jié)點其供電模塊的更換代價仍然較大，而且較長工作壽命的傳感器網(wǎng)絡應用系統(tǒng)對用戶來說仍具有重大的實際意義。另一方面，在討論拓撲的可生存能力時，當前傳感器網(wǎng)絡可生存拓撲控制技術往往僅作定性評估，缺少拓撲可生存能力的定量評估機制，不能有效指導進一步的拓撲維持操作。本文在對傳感器網(wǎng)絡拓撲控制可生存技術等相關工作進行總結的基礎上，著重對基于冗余復用的節(jié)能傳感器網(wǎng)絡可生存拓撲控制技術和拓撲控制可生存能力定量評估等進行詳細的分析和研究。論

3、文主要工作包括如下幾個方面：
　　 (1)綜述了無線傳感器網(wǎng)絡可生存拓撲控制的相關研究成果，從節(jié)能、容錯和容侵的拓撲控制三個方面對現(xiàn)有拓撲控制算法進行了綜合分析，歸納出各自的工作思想和優(yōu)缺點，指出了無線傳感器網(wǎng)絡可生存拓撲控制面臨的挑戰(zhàn)。
　　 (2)提出了基于能量意識的簇頭選舉方法及簇內(nèi)基于時間片的動態(tài)活動節(jié)點(Active Node)負責的可生存拓撲控制機制。針對LEACH拓撲控制協(xié)議簇頭產(chǎn)生數(shù)目的隨機性和簇頭分布的

4、隨機性無法保證節(jié)點能耗均衡的情形，該機制利用能量意識的思想盡量避免能量低的節(jié)點當選為簇頭，同時采用基于時間片的冗余復用機制，以動態(tài)活動節(jié)點輪轉簇頭任務，在簇內(nèi)實現(xiàn)能耗負載輪值。仿真實驗表明該機制有效克服了LEACH協(xié)議中節(jié)點能耗不均勻現(xiàn)象，避免了在全網(wǎng)能量較多而單個節(jié)點能量耗盡過早死亡導致的網(wǎng)絡可生存能力下降問題，能夠推遲節(jié)點死亡時間，增強了拓撲的可生存能力。
　　 (3)為對傳感器網(wǎng)絡發(fā)起新一輪可生存拓撲更新/自再生操作提供決

5、策依據(jù)，提出了基于半馬爾可夫過程(SMP)的拓撲容侵可生存能力定量評估模型。傳感器網(wǎng)絡因故障/入侵導致節(jié)點死亡而啟動拓撲更新操作必須建立在正確衡量拓撲當前可生存能力的基礎之上，考慮到節(jié)點計算、存儲、通信等能力的諸多限制，該模型避免對不同入侵威脅行為進行描述建模的復雜性，在入侵結果統(tǒng)一層面上建模，簡化了模型設計。定義了容侵拓撲的可用性、穩(wěn)定性和服務率三個屬性，并利用內(nèi)嵌DTMC模型求解這三個指標，設計容侵指標的貝葉斯網(wǎng)絡推理模型，提高了拓

6、撲容侵能力評估的準確性。針對兩個具體的可生存拓撲控制機制，由仿真實驗驗證了該評估模型的有效性。
　　 (4)提出了移動節(jié)點支持的三角形貼片式拓撲覆蓋空洞修補方法PATT。針對加入少量移動節(jié)點的混合傳感器網(wǎng)絡，受計算機圖形學中三角網(wǎng)格模型啟發(fā)，研究移動節(jié)點支持的拓撲自再生方法，在拓撲因節(jié)點死亡出現(xiàn)拓撲割裂時，對覆蓋空洞進行修復，以使節(jié)點盡可能均勻分布而覆蓋監(jiān)測區(qū)域，確保生成的網(wǎng)絡拓撲結構具有較強的生存能力。從理論上證明了一種最優(yōu)的

7、節(jié)點移動位置，以及基于該位置部屬移動節(jié)點擁有90％以上的感知覆蓋率。利用覆蓋空洞邊緣節(jié)點提供的輔助信息，通過三角形貼片方式，逐步增加移動節(jié)點以提高感知覆蓋和通信覆蓋能力，提高了傳感器網(wǎng)絡拓撲的可生存能力，且從理論上證明了該方法的最優(yōu)。
　　 (5)設計了基于傳感器網(wǎng)絡可生存分簇拓撲結構的多跳路由算法。選擇農(nóng)業(yè)精量灌溉為可生存拓撲控制應用背景，設計基于可生存分簇拓撲的多跳路由算法，增強了傳感器網(wǎng)絡應用系統(tǒng)的可生存能力；采用自適應加