面向節(jié)能和容錯的異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式拓?fù)淇刂扑惴ㄑ芯?pdf

1、隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)受到了國內(nèi)外廣泛的關(guān)注。由于受到成本和體積的限制，傳感器節(jié)點(diǎn)的能量一直是值得高度關(guān)注的重要問題。拓?fù)淇刂剖菬o線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)約能量、增加運(yùn)行時間的關(guān)鍵技術(shù)，在保障網(wǎng)絡(luò)連通的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，降低節(jié)點(diǎn)之間的通信干擾，使得網(wǎng)絡(luò)能量均衡消耗，最終達(dá)到延長網(wǎng)絡(luò)生命時間的目的。此外，節(jié)點(diǎn)可能部署在危險(xiǎn)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(guān)注網(wǎng)絡(luò)的容錯性，當(dāng)部分節(jié)點(diǎn)失效

2、時仍能保證網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中另外一個值得研究的重要課題。
　　本文考慮傳感器節(jié)點(diǎn)具有不同的計(jì)算能力、通信能力和能量水平的特點(diǎn)，主要對拓?fù)淇刂圃诋悩?gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)能和容錯問題進(jìn)行研究。面向節(jié)能的拓?fù)淇刂蒲芯肯葟耐負(fù)錁?gòu)建方法入手，進(jìn)而結(jié)合拓?fù)渚S護(hù)策略以完整的拓?fù)淇刂七^程闡述如何構(gòu)建并維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);然后，在優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖涎芯棵嫦蚬?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(luò)生命時間起到重要作用;最后

3、，考慮節(jié)點(diǎn)容易失效的特性，從理論研究和實(shí)際應(yīng)用兩個方面分別對容錯拓?fù)淇刂扑惴ㄟM(jìn)行研究，在保障網(wǎng)絡(luò)容錯的基礎(chǔ)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(dāng)前研究普遍將拓?fù)淇刂谱鳛橥負(fù)錁?gòu)建或拓?fù)渚S護(hù)單獨(dú)進(jìn)行研究的問題，提出了啟發(fā)式算法將兩個過程進(jìn)行結(jié)合，通過改進(jìn)A3G算法中的適應(yīng)度函數(shù)、發(fā)送消息格式和算法流程，在拓?fù)錁?gòu)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(jī)制

4、，提出了一種與拓?fù)錁?gòu)建過程相結(jié)合的拓?fù)渚S護(hù)方法A3GM。當(dāng)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)性能嚴(yán)重下降時，由Sink節(jié)點(diǎn)決定執(zhí)行局部拓?fù)湫迯?fù)或全局拓?fù)渚S護(hù)策略以保障網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行。
　　(2)為了減少路徑能耗和均衡支配節(jié)點(diǎn)的能量消耗，在優(yōu)化的拓?fù)渖咸岢隽艘环N由Sink節(jié)點(diǎn)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(gòu)網(wǎng)絡(luò)、產(chǎn)生支配節(jié)點(diǎn)數(shù)量過大、可能會出現(xiàn)非連通的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟约爸涔?jié)點(diǎn)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(dāng)?shù)闹涔?jié)點(diǎn)對EEVB進(jìn)行擴(kuò)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(guān)閉部分網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，盡可能地覆蓋整個網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控區(qū)域。
　　(3)針對實(shí)際環(huán)境中拓?fù)淙菀最l繁重構(gòu)的特性，提出了一種具有較小通信開銷的異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分布式拓?fù)淇刂扑惴℉ELM，算法在所有節(jié)點(diǎn)都只發(fā)送一次消息的情況下就能快速構(gòu)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(yīng)用場景，HELMCov算法可以

6、在HELM基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，從而得到更高的網(wǎng)絡(luò)覆蓋率。
　　(4)針對連通支配集還需要具有一定的容錯性以應(yīng)對節(jié)點(diǎn)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(gòu)建算法(k,m)-HELM和(k,m)-HELMCov，k-連通保證了網(wǎng)絡(luò)中支配節(jié)點(diǎn)之間的容錯性，m-支配則保證了普通節(jié)點(diǎn)與支配節(jié)點(diǎn)之間的容錯性。算法首先以較小的通信代價(jià)構(gòu)建節(jié)能或高覆蓋需求的連通支配集，然后采用最大獨(dú)立集的思想從剩余節(jié)點(diǎn)中選擇合適

7、的節(jié)點(diǎn)將普通節(jié)點(diǎn)進(jìn)行m-支配，最后在局部拓?fù)渲型ㄟ^公共鄰居節(jié)點(diǎn)將支配節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展為k-連通。
　　(5)在帶有少量能量自補(bǔ)給能力節(jié)點(diǎn)的新型異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型中對容錯拓?fù)淇刂扑惴ㄟM(jìn)行研究，針對算法(k,m)-HELM和(k,m)-HELMCov產(chǎn)生活躍節(jié)點(diǎn)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?fù)淇刂扑惴‥BFT和EBFTCov。算法在不需要節(jié)點(diǎn)位置信息的情況下首先選擇權(quán)值較優(yōu)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)建連通支配集，然后選擇容錯度較大的節(jié)