無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲控制與優(yōu)化研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當前信息技術(shù)領(lǐng)域的一個熱點研究方向，可用于軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測、城市交通管理、倉儲管理等軍事和民用領(lǐng)域。在影響無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能的眾多因素之中，拓撲控制是核心問題之一，因此如何優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、增強網(wǎng)絡(luò)拓撲的自適應(yīng)性和魯棒性，并為上層通信協(xié)議提供良好的底層拓撲支撐是拓撲控制與優(yōu)化研究的重要問題。本文對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲控制與優(yōu)化進行了研究，所取得的主要研究成果為：
　　 1.合適的節(jié)點發(fā)射功率是保證網(wǎng)絡(luò)連通性和覆蓋

2、度，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期的重要保證。為了尋求最優(yōu)的發(fā)射功率，在保證網(wǎng)絡(luò)通信連通的同時優(yōu)化拓撲結(jié)構(gòu)，本文提出了一種基于非合作博弈的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)功率控制算法。該算法將節(jié)點的功率控制抽象為一個多人的非合作博弈過程，通過節(jié)點間的博弈進行功率控制。算法在設(shè)計功率控制的支付函數(shù)時充分考慮了節(jié)點剩余能量的因素，通過選擇合適的效用因子及價格因子組合能有效地優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的發(fā)射功率，降低網(wǎng)絡(luò)的總發(fā)射功率，從而節(jié)約節(jié)點能量。此外，本文還求出了功率控制博弈的

3、納什均衡點，并證明了納什均衡的存在性和唯一性。仿真結(jié)果表明了算法具有很好的收斂性，通過功率控制能有效地優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。
　　 2.合理有效的分簇是節(jié)約能量，優(yōu)化無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲的關(guān)鍵。針對該問題，本文提出了一種基于貝葉斯博弈的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇算法。算法將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的簇頭選舉抽象為一個多人的博弈過程，節(jié)點之間通過不完全信息的靜態(tài)博弈進行簇頭選舉。算法在貝葉斯分簇的支付函數(shù)設(shè)計時充分考慮了節(jié)點能耗和

4、路徑損耗等因素，因此通過節(jié)點間的貝葉斯博弈能實現(xiàn)簇頭的合理分布，在優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓撲的同時可使網(wǎng)絡(luò)能耗更加穩(wěn)定、能量分布更加均勻，有效地延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。
　　 3.部署對網(wǎng)絡(luò)拓撲構(gòu)成和網(wǎng)絡(luò)布局優(yōu)化都有重要的影響，針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)部署方法不能很好地適應(yīng)動態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，存在監(jiān)測盲區(qū)的問題。本文提出了一種基于模糊控制的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署優(yōu)化算法。算法將模糊控制策略用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點部署中，通過對移動節(jié)點的移動距離和移動方向

5、進行模糊控制實現(xiàn)節(jié)點的合理部署，以提高網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率。由于在模糊控制規(guī)則的設(shè)計中充分考慮了節(jié)點剩余能量、節(jié)點路徑損耗、節(jié)點鄰居數(shù)等因素，因此該算法能有效提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋率，使網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)更加健全完善，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。
　　 4.構(gòu)建高可靠性和高抗毀性的拓撲結(jié)構(gòu)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的新問題。針對該問題，本文分別提出了兩種基于無標度網(wǎng)絡(luò)的拓撲演化算法。在基于能量有效的無標度傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲演化算法中，算法首先通過分簇實現(xiàn)簇頭的合理分布，然

6、后按照無標度網(wǎng)絡(luò)隨機行走的方式進行簇頭間的拓撲演化。由于在拓撲演化過程中充分考慮了節(jié)點剩余能量、節(jié)點度等因素。因此演化后的網(wǎng)絡(luò)拓撲具有較好的負載均衡和能量均衡，適于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實際應(yīng)用；在具有重構(gòu)機制的無標度傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲演化算法中，算法首先通過分簇實現(xiàn)簇頭的合理分布，然后根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實際應(yīng)用中隨機加點、隨機去點、隨機去邊和重連的方式進行簇頭間的拓撲演化。由于在拓撲演化時引入了重構(gòu)機制，并且考慮了節(jié)點和鏈路變化的隨機性問題，因

7、此演化的網(wǎng)絡(luò)拓撲具有很好的自愈性、重構(gòu)性和可調(diào)性。仿真結(jié)果表明，利用上述兩種算法演化的網(wǎng)絡(luò)拓撲在隨機和蓄意打擊下都具有較高的魯棒性，可滿足惡劣環(huán)境對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)魯棒性的要求。
　　 5.針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中如何判斷節(jié)點重要性的問題，本文提出了一種基于拓撲貢獻和能量有效的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重要性評價方法。該方法首先綜合考慮網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)能耗之間的關(guān)系，設(shè)計了一種測度網(wǎng)絡(luò)拓撲抗毀性和網(wǎng)絡(luò)能耗的綜合評價指標；其次在該評價指標的基