面向Qos保障的复杂异构无线传感器网络下的拓扑控制研究

发布时间：2017-03-26 23:14

  本文关键词：面向Qos保障的复杂异构无线传感器网络下的拓扑控制研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：复杂异构无线传感器网络(Heterogeneous Wireless Sensor Networks,HWSNs)是由不同类型的传感器节点组成的自组织网络。HWSNs不仅满足了陆地上的应用需求,在水下环境中也得到了充分的利用。由于节点受自身能量的限制,能耗一直是HWSNs中一个不可忽视问题。再加上节点部署环境的复杂性,节点容易受到外界环境的干扰或人类的蓄意破坏而导致失效。因此,在解决能耗和节点失效问题的基础上保障网络的Qos成为HWSNs的一个关键问题。而拓扑控制作为一种保证HWSNs能够实现高效节能的关键技术,它不仅能够构建优化的网络拓扑结构,并且带有维护阶段的拓扑控制还能够使得HWSNs具有一定的容错性。本文针对HWSNs的能耗和节点失效问题,进行了相关的研究,并提出了对应的理论模型和解决方案。主要工作如下:1.针对网络中能耗不均匀、簇头节点负载不均衡以及因能量耗尽而导致节点失效等问题,提出了基于容错的异构无线传感器网络的拓扑控制算法。该算法在拓扑构建阶段,通过几何方法选择簇头,待所有非簇头节点通过比较与簇头之间引力大小加入簇后,再利用最小费用最大流的方法对每个簇的簇成员数进行调整,均衡每个簇的负载;拓扑维护阶段对能量低于某轮通信阈值的簇头节点进行局部通信的调整,对调整后的网络进行广度优先搜索树遍历寻找孤立节点或环路通信。若存在孤立节点则孤立节点采用最短路径与非孤立节点通信,若存在环路则遍历去掉环路的路径。这样经过拓扑维护后使得能量能够均衡的消耗,期望节点在同一时刻死亡,以延长网络寿命。2.针对网络能耗、通信链路损耗和节点任意失效等问题,提出了基于功率和能量优化的势博弈拓扑控制算法。该算法首先理论分析了节点功率调节形成的博弈过程中纳什均衡的存在性和有效性,其次以网络中的成本代价作为簇头选举参数的参考,然后结合能量、节点之间的跳数和距离等参数来指导非簇头节点加入簇。最后当网络运行过程中有节点失效时,启动拓扑维护阶段调整各个节点的发射功率,维持网络的正常运行。3.研究了水下无线传感器节点的能耗模型和水下无线传感器网络(Underwater Wireless Sensor Networks,UWSNs)的路由协议,根据UWSNs中节点部署稀疏、多径效应和节点能耗快等网络特性,提出了基于能耗均衡的UWSNs拓扑控制算法。通过建立多人博弈模型选出网络中簇头,然后以节点的成本代价实现中继节点的选择,以实现能量的均衡消耗和网络能量利用效率的提高,最终达到延长网络生命周期的目的。最后,将上述的算法通过仿真平台的验证,实验结果证明了各部分算法的有效性,并且在保障网络Qos的情况下,能够实现延长网络生命周期的目标。与同类算法相比,在能量均衡、能量利用率和网络生命周期方面也具有一定的优势。
【关键词】：异构无线传感器网络 Qos 拓扑构建 拓扑维护 分簇算法 能量均衡 势博弈
【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212.9;TN929.5
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-19
• 1.1 背景及研究意义10-13
• 1.1.1 无线传感器网络10-11
• 1.1.2 无线传感器网络中拓扑控制11-12
• 1.1.3 基于博弈模型的优化12-13
• 1.2 无线传感器网络中拓扑控制算法国内外现状13-16
• 1.3 本文主要研究内容与组织结构16-19
• 第二章 基于容错的拓扑控制算法19-35
• 2.1 系统模型19-21
• 2.1.1 网络模型19-20
• 2.1.2 能耗模型20
• 2.1.3 参数定义20-21
• 2.2 TCFT-拓扑控制算法21-28
• 2.2.1 拓扑构建21-26
• 2.2.2 拓扑维护26-28
• 2.3 仿真实验28-33
• 2.3.1 仿真实验参数设置28-29
• 2.3.2 算法中重要参数的分析29-31
• 2.3.4 仿真结果与性能分析31-33
• 2.4 本章小结33-35
• 第三章 基于功率和能量优化的势博弈拓扑控制算法35-51
• 3.1 系统模型35-40
• 3.1.1 定义和网络假设35-36
• 3.1.2 网络能耗模型36-37
• 3.1.3 博弈模型37-40
• 3.2 势博弈下的拓扑控制算法40-45
• 3.2.1 选择簇头40-41
• 3.2.2 构建簇内和簇间路由41-42
• 3.2.3 拓扑维护42-45
• 3.3 仿真结果45-50
• 3.3.1 簇间距参数分析46-47
• 3.3.2 仿真实验与性能分析47-50
• 3.4 本章小结50-51
• 第四章 基于能耗均衡的UWSNs拓扑控制算法51-66
• 4.1 系统模型51-54
• 4.1.1 网络模型51-52
• 4.1.2 能耗模型52-54
• 4.2 节能的拓扑控制算法54-59
• 4.2.1 基于非合作博弈的簇头选举策略54-55
• 4.2.2 拓扑构建55-59
• 4.3 仿真实验59-65
• 4.3.1 实验参数设置59
• 4.3.2 仿真实验结果与性能分析59-65
• 4.4 本章小结65-66
• 第五章 总结与展望66-68
• 5.1 总结66-67
• 5.2 展望67-68
• 参考文献68-75
• 攻读硕士学位期间的研究成果75-76
• 致谢76

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本文编号：269527