无线传感器网络中拓扑控制算法的研究

发布时间：2017-07-30 14:25

  本文关键词：无线传感器网络中拓扑控制算法的研究

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【摘要】：无线传感网[1]的应用日益广泛，本文在众多学者研究的基础上，分别对无线传感器网络及无线传感网络中的拓扑控制算法进行了系统的介绍，同时还对现今受关注度比较高的新颖模型——元胞自动机进行了详细的介绍，基于无线传感网络和元胞自动机的相似特性，将元胞自动机应用于模拟无线传感网的网络整体行为受到众多国内外学者的极大关注。 本文阐述了传统的分簇拓扑控制算法的弊端，同时介绍了非分簇的拓扑控制算法CATCA。CATCA算法虽然对传感器节点之间的通信方式、节点状态及节点能量这三个方面进行了优化，但是其未考虑到当节点同时满足能量和标志值时状态的改变。在此基础上，本文提出了改进后的拓扑控制算法NCATCA，该算法在算法CATCA基础上对每个传感器节点添加了活动邻居节点计数器，用来在每个时步内统计中心节点周围邻居节点中活动节点的数目，为节点状态的更改做准备，同时对节点的能量计算重新进行了定义，并给出了计算公式，该公式更均衡的考虑到两种状态节点之间通信的能耗。这样，在每次激活休眠节点时不仅仅根据元胞自动机的状态更新规则，同时兼顾节点自身剩余能量，从而更好的延长网络的服务时间。 本文还研究了无线传感器网络的拓扑维护协议，无线传感网的拓扑维护基本思想都是通过一定的调度机制将当前时步未参与到网络通信活动中的节点置于休眠状态，并周期性的将其唤醒，同时将活动节点置为休眠状态，来达到节能的目的。在分析了传统的拓扑维护协议基础上，提出了基于元胞自动机的拓扑维护协议BCATCM，该协议将拓扑维护过程分为4个阶段进行，并给出了每个阶段的构建过程及详细描述，另外本文还将数学理论中的泰森多边形应用到无线传感网络中，根据节点之间构建出来的虚拟多边形，通过泰森多边形的性质来判断相邻节点之间是否是通信可达的，此外在拓扑维护过程中，将元胞自动机模型与此理论结合，在整个拓扑维护构建过程中，能更均衡的选择节点来延长网络的生命周期。 另外，本文将无线传感网络中传统的节点功率控制技术和元胞自动机模型结合在一起，提出了基于元胞自动机的功率控制算法PCBCA，该算法以中心节点的邻居节点数目作为计算中心节点发射半径的核心依据，随着邻居节点的数目变化，动态的调整中心节点的发射半径，同时根据元胞自动机节点状态更新规则及节点自身剩余能量的判定将冗余覆盖的节点置为休眠状态，来达到节能和延长网络生命周期的目的。 本文最后分别对这三个算法进行了实验模拟，从节点能量损耗、网络生存时间、网络覆盖度、网络中存活节点数量随时间变化关系等方面与现存算法进行了对比，并以实验对比数据为依据，，说明这些算法在相应性能指标上取得的优化，提高了网络的服务性能。
【关键词】：元胞自动机 无线传感器网络 拓扑控制
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP212.9;TN929.5
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-20
• 1.1 研究背景11
• 1.2 无线传感器网络简介11-15
• 1.2.1 无线传感器的发展史12
• 1.2.2 无线传感器网络的特点12-13
• 1.2.3 无线传感器网络的功能13
• 1.2.4 无线传感器网络的应用13-14
• 1.2.5 国内外研究现状14-15
• 1.3 元胞自动机理论15-18
• 1.3.1 元胞自动机简介15
• 1.3.2 元胞自动机的特征15-16
• 1.3.3 元胞自动机的结构16-17
• 1.3.4 元胞自动机发展史17-18
• 1.3.5 元胞自动机的应用18
• 1.4 本章小结18-19
• 1.5 本文的组织结构19-20
• 第2章 基于 CA 的拓扑控制算法-NCATCA20-31
• 2.1 拓扑控制基础20-21
• 2.1.1 拓扑控制重要性20
• 2.1.2 拓扑控制过程20-21
• 2.1.3 拓扑控制研究分类21
• 2.2 现有的拓扑控制算法21-25
• 2.2.1 拓扑控制算法性能的评价指标22
• 2.2.2 传统的分簇拓扑控制算法的弊端22-23
• 2.2.3 基于 CA 的无线传感网拓扑控制23
• 2.2.4 无线传感器网络的元胞自动机模型23-24
• 2.2.5 非分簇的拓扑控制方法24-25
• 2.3 基于 CA 的改进拓扑控制算法-NCATCA25-29
• 2.3.1 相关定义25-26
• 2.3.2 算法的改进过程26-29
• 2.4 NCATCA 算法流程29-30
• 2.5 本章小结30-31
• 第3章 基于元胞自动机的拓扑维护协议 BCATCM31-40
• 3.1 拓扑维护基础31-34
• 3.1.1 传统的拓扑维护协议31
• 3.1.2 拓扑维护设计目标31-32
• 3.1.3 拓扑维护模型32-34
• 3.2 拓扑维护协议-BCATCM34-39
• 3.2.1 相关定义34-36
• 3.2.2 节点可达判断36
• 3.2.3 节点信息收集36-37
• 3.2.4 拓扑构建37-38
• 3.2.5 拓扑维护38-39
• 3.3 本章小结39-40
• 第4章 基于元胞自动机的功率控制算法 PCBCA40-47
• 4.1 相关模型40-41
• 4.1.1 网络模型40
• 4.1.2 能耗模型40-41
• 4.2 算法描述41-43
• 4.2.1 相关定义41
• 4.2.2 计算能耗41
• 4.2.3 确定功率41-42
• 4.2.4 状态转换42-43
• 4.3 算法流程43-46
• 4.3.1 能耗计算流程43-44
• 4.3.2 确定功率流程44-45
• 4.3.3 状态调整流程45-46
• 4.4 本章小结46-47
• 第5章 实验模拟47-55
• 5.1 实验环境及初始设置47
• 5.2 NCATCA 算法47-49
• 5.3 BCATCM 算法49-53
• 5.4 PCBCA 算法53-55
• 第6章 总结与展望55-57
• 6.1 总结55-56
• 6.2 展望56-57
• 参考文献57-60
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果60-61
• 致谢61

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 王睿;梁彦;潘泉;;无线传感器网络的蚁群自组织算法[J];电子学报;2007年09期

2 张文铸;刘佳;张林;袁坚;山秀明;;无线传感网络的非分簇拓扑控制方法研究[J];计算机科学;2010年02期

3 康一梅;李志军;胡江;董吉昌;;一种低能耗层次型无线传感器网络拓扑控制算法[J];自动化学报;2010年04期

4 魏永红;李孝忠;;分簇及局部优化的无线传感器网络拓扑控制算法[J];天津科技大学学报;2010年02期

本文编号：594669