基于复杂网络的无线传感器网络演化模型研究

发布时间：2017-06-14 15:10

  本文关键词：基于复杂网络的无线传感器网络演化模型研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：无线传感器网络(WSN)是一种由众多传感器节点自组织形成的多跳网络,是物联网领域的重要支撑技术之一。将复杂网络理论引入WSN的建模研究是目前的一个热点方向。目前基于复杂网络的WSN建模仍有不足:构建的WSN模型大多在能量效率方面表现一般或者没有很好的表现出WSN节点、链路在实际应用中的动态变化特征。文章在仔细分析讨论了WSN的拓扑特性的基础上,提出了两种构建更加高效、更加贴近实际的WSN的方法,并在模型中实现了空间定位功能。本文主要研究成果如下:(1)提出了一种具有小世界特性的WSN演化模型,并研究了节点的优化部署方案。节点能量的有限性是在进行WSN研究时无法逃避的“拦路虎”。针对这种情况,基于小世界模型,通过引入“超级节点”组成超级链路来作为普通节点与汇聚节点通信的可靠捷径这一方法,构建了具有小世界特性的WSN演化模型。论文重点研究了普通节点、汇聚节点以及超级节点的优化部署方案。同时,通过与文献[76]第五章中模型的仿真对比,证明了增设少量超级节点构造超级链路,有效地降低了网络的平均路径长度,减少了通信方面的能量开销,增加了节点的生存时间,从而提升了整个WSN的寿命。(2)提出了考虑节点任务重要性的WSN演化模型。基于WSN中新节点倾向于同剩余能量更多的节点建立链接,以及节点功率有限,只能与通信半径内的节点建立链接的现象,结合WSN的内在特性,提出了考虑节点任务重要性的WSN演化模型。该模型除了将节点所承担任务的重要性纳入考虑外,另外很重要的一点就是在模型设计之初就考虑了网络的脆弱性的改善:通过k的取值来平衡能量消耗和对蓄意攻击的抵御能力。借助平均场理论,推导发现该模型的度分布情况介于随机网络和无标度网络两者之间。最后的仿真研究显示:适度的提高节点的局域世界规模可显著提升网络数据传输的效率;结合具体的需求情况,选择合适的k值,可令该模型在能量效率、生存周期方面表现优异,同时还能对恶意攻击有着较好的抵御能力。(3)在提出的模型中实现空间定位功能。在仔细分析了现有的几种经典WSN定位算法的优点与缺点的基础上,运用DV-Hop算法在新提出的两种模型中实现了目标节点的定位。其中,由于基于小世界网络的新模型的超级节点和汇聚节点的位置信息是已知的,可直接作为锚节点使用。而基于无标度网络的模型则是通过在整个区域均匀部署锚节点来实现定位。最终的仿真结果显示,DV-Hop算法在这两个模型中的定位效果较好,误差较小。
【关键词】：无线传感器网络 复杂网络 小世界模型 无标度模型 脆弱性 空间定位
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN929.5;TP212.9;O157.5
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 专用术语注释表9-10
• 第一章 绪论10-15
• 1.1 研究背景与课题意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-13
• 1.2.1 WSN的研究现状11-12
• 1.2.2 WSN演化模型研究现状12-13
• 1.3 论文章节安排13-15
• 第二章 复杂网络理论基础15-26
• 2.1 引言15
• 2.2 复杂网络理论的发展历程15
• 2.3 复杂网络理论的基本概念15-18
• 2.3.1 网络的图表示15-16
• 2.3.2 平均路径长度16
• 2.3.3 聚类系数16-17
• 2.3.4 度与度分布17
• 2.3.5 介数17-18
• 2.4 复杂网络领域的拓扑模型及其性质18-22
• 2.4.1 规则网络18
• 2.4.2 随机图18-19
• 2.4.3 小世界模型19-20
• 2.4.4 无标度模型20-22
• 2.5 WSN的拓扑结构与复杂网络特征22-25
• 2.5.1 WSN的拓扑结构介绍22
• 2.5.2 WSN的复杂网络特征22-23
• 2.5.3 WSN的关键技术23-25
• 2.6 本章小结25-26
• 第三章 基于小世界模型构建含有超级节点的无线传感器网络26-39
• 3.1 引言26
• 3.2 WSN中小世界效应的相关研究26-28
• 3.3 具有小世界效应的WSN模型28-35
• 3.3.1 路由模型28
• 3.3.2 节点部署28-31
• 3.3.3 超级节点的优化部署31-35
• 3.4 仿真及分析35-38
• 3.5 本章小结38-39
• 第四章 考虑节点任务重要性的无线传感器网络演化模型39-48
• 4.1 引言39-41
• 4.2 考虑节点任务重要性的WSN演化模型41-47
• 4.2.1 演化模型设计41-42
• 4.2.2 数学分析42-44
• 4.2.3 仿真分析44-47
• 4.3 本章小结47-48
• 第五章 定位技术及应用48-56
• 5.1 定位技术的研究背景与意义48
• 5.2 定位算法介绍48-52
• 5.2.1 三边定位49-50
• 5.2.2 基于距离的定位算法概述50-51
• 5.2.3 不需要测距的定位算法概述51-52
• 5.2.4 定位算法总结与比较52
• 5.3 定位功能的具体实现52-55
• 5.3.1 在具有小世界效应的WSN模型中实现定位52-53
• 5.3.2 在考虑节点任务重要性的WSN模型中实现定位53-55
• 5.4 本章小结55-56
• 第六章 总结与展望56-58
• 6.1 全文总结56-57
• 6.2 展望57-58
• 参考文献58-61
• 附录1 攻读硕士学位期间申请的专利61-62
• 致谢62

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