面向節(jié)能和容錯的異構無線傳感器網(wǎng)絡分布式拓撲控制算法研究.pdf

1、隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡受到了國內外廣泛的關注。由于受到成本和體積的限制，傳感器節(jié)點的能量一直是值得高度關注的重要問題。拓撲控制是無線傳感器網(wǎng)絡中節(jié)約能量、增加運行時間的關鍵技術，在保障網(wǎng)絡連通的基礎上，通過優(yōu)化網(wǎng)絡的拓撲結構，降低節(jié)點之間的通信干擾，使得網(wǎng)絡能量均衡消耗，最終達到延長網(wǎng)絡生命時間的目的。此外，節(jié)點可能部署在危險或無人值守區(qū)域，容易受到外界因素影響而失效，在考慮節(jié)能的同時還必須關注網(wǎng)絡的容錯性，當部分節(jié)點失效

2、時仍能保證網(wǎng)絡正常運行是無線傳感器網(wǎng)絡中另外一個值得研究的重要課題。
　　本文考慮傳感器節(jié)點具有不同的計算能力、通信能力和能量水平的特點，主要對拓撲控制在異構無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)能和容錯問題進行研究。面向節(jié)能的拓撲控制研究先從拓撲構建方法入手，進而結合拓撲維護策略以完整的拓撲控制過程闡述如何構建并維護網(wǎng)絡的拓撲結構;然后，在優(yōu)化的網(wǎng)絡拓撲上研究面向節(jié)能和高覆蓋率的能量平衡的路由協(xié)議，對于延長無線傳感器網(wǎng)絡生命時間起到重要作用;最后

3、，考慮節(jié)點容易失效的特性，從理論研究和實際應用兩個方面分別對容錯拓撲控制算法進行研究，在保障網(wǎng)絡容錯的基礎上盡可能地節(jié)省能量，本文的主要工作和成果如下:
　　(1)針對當前研究普遍將拓撲控制作為拓撲構建或拓撲維護單獨進行研究的問題，提出了啟發(fā)式算法將兩個過程進行結合，通過改進A3G算法中的適應度函數(shù)、發(fā)送消息格式和算法流程，在拓撲構建過程中優(yōu)化求解最小連通支配集的NP-Hard問題。然后，通過定義時間、能量和故障三種不同的觸發(fā)機制

4、，提出了一種與拓撲構建過程相結合的拓撲維護方法A3GM。當現(xiàn)有網(wǎng)絡性能嚴重下降時，由Sink節(jié)點決定執(zhí)行局部拓撲修復或全局拓撲維護策略以保障網(wǎng)絡的穩(wěn)定運行。
　　(2)為了減少路徑能耗和均衡支配節(jié)點的能量消耗，在優(yōu)化的拓撲上提出了一種由Sink節(jié)點發(fā)起的能量平衡的分布式路由協(xié)議EEVB，有效解決了ViTAMin協(xié)議只能適用于同構網(wǎng)絡、產(chǎn)生支配節(jié)點數(shù)量過大、可能會出現(xiàn)非連通的網(wǎng)絡拓撲以及支配節(jié)點能耗不均衡問題。此外，考慮到高覆蓋率需

5、求的場景，通過增加適當?shù)闹涔?jié)點對EEVB進行擴展，提出了一種滿足高覆蓋率需求的能量平衡的路由協(xié)議EEVBCov，在關閉部分網(wǎng)絡節(jié)點的基礎上，盡可能地覆蓋整個網(wǎng)絡監(jiān)控區(qū)域。
　　(3)針對實際環(huán)境中拓撲容易頻繁重構的特性，提出了一種具有較小通信開銷的異構無線傳感器網(wǎng)絡分布式拓撲控制算法HELM，算法在所有節(jié)點都只發(fā)送一次消息的情況下就能快速構建連通支配集，具有較高的能效性。此外，考慮到高覆蓋率需求的應用場景，HELMCov算法可以

6、在HELM基礎上進行擴展，從而得到更高的網(wǎng)絡覆蓋率。
　　(4)針對連通支配集還需要具有一定的容錯性以應對節(jié)點失效或鏈路錯誤的問題，提出了任意k和m取值的完全分布式的k-連通m-支配集構建算法(k,m)-HELM和(k,m)-HELMCov，k-連通保證了網(wǎng)絡中支配節(jié)點之間的容錯性，m-支配則保證了普通節(jié)點與支配節(jié)點之間的容錯性。算法首先以較小的通信代價構建節(jié)能或高覆蓋需求的連通支配集，然后采用最大獨立集的思想從剩余節(jié)點中選擇合適

7、的節(jié)點將普通節(jié)點進行m-支配，最后在局部拓撲中通過公共鄰居節(jié)點將支配節(jié)點擴展為k-連通。
　　(5)在帶有少量能量自補給能力節(jié)點的新型異構無線傳感器網(wǎng)絡模型中對容錯拓撲控制算法進行研究，針對算法(k,m)-HELM和(k,m)-HELMCov產(chǎn)生活躍節(jié)點過多的問題，提出了面向節(jié)能和高覆蓋需求的分布式容錯拓撲控制算法EBFT和EBFTCov。算法在不需要節(jié)點位置信息的情況下首先選擇權值較優(yōu)的節(jié)點構建連通支配集，然后選擇容錯度較大的節(jié)