小世界特性在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的傳感器節(jié)點構(gòu)成，以Ad hoc方式組成的無線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、收集和處理傳感器網(wǎng)絡(luò)所覆蓋地理區(qū)域中感知對象的信息，并將處理結(jié)果傳遞給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所面臨的主要挑戰(zhàn)是資源有限，存儲、計算、通信能力以及帶寬傳輸能力等等的限制。因此，如何利用有限的能量資源，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期，滿足能量有效性是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)迫切需要解決的問題。 本文首先系統(tǒng)地介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概念、特點、應(yīng)用及其在拓撲控制方

2、面的一些研究現(xiàn)狀。其次，介紹了小世界網(wǎng)絡(luò)及其在無線網(wǎng)絡(luò)中的相關(guān)應(yīng)用。為了簡化網(wǎng)絡(luò)拓撲，優(yōu)化節(jié)點的路由選擇，減少和均衡網(wǎng)絡(luò)能量的消耗，延長網(wǎng)絡(luò)生存時間，我們在基于節(jié)點集聚系數(shù)和邊的集聚系數(shù)對網(wǎng)絡(luò)進行簇優(yōu)化和分簇。接著，在分簇的基礎(chǔ)上對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能進一步優(yōu)化，通過添加一些長程聯(lián)接減少節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)的跳數(shù)，從而進一步減少和均衡網(wǎng)絡(luò)能量的消耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。最后，針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在電力耗盡、硬件故障或者遭遇入侵等形成的節(jié)點失敗而對

3、網(wǎng)絡(luò)造成嚴重影響，為了對網(wǎng)絡(luò)抗毀能力進行評估，提出一種新的抗毀評估模型，并通過仿真實驗對基于小世界的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行抗毀性評估。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是近年來迅速發(fā)展和普遍重視的新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其出現(xiàn)與發(fā)展對現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)產(chǎn)生了十分深刻的影響，同時也顯著的改變了人們的觀念。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同的是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)代通信技術(shù)、微型傳感器技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有機地融合為一體，在軍事、環(huán)境監(jiān)測、家庭自動化及其它很多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景和應(yīng)用價值。

4、 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是低功耗低價格微型嵌入式設(shè)備，其能量供應(yīng)和無線通信帶寬十分受限。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點密集分布，由于障礙、噪聲等其它環(huán)境因素使得其無法均勻分布，如果組織不當，可能導(dǎo)致大量沖突和網(wǎng)絡(luò)擁塞，從而增加延遲，降低能量效率。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身所存在的一些特性，極易出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中部分節(jié)點的失效，從而直接或間接地使得原本連通的網(wǎng)絡(luò)拓撲分割，大大降低網(wǎng)絡(luò)的覆蓋度，甚至導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)失敗，即整個網(wǎng)絡(luò)無法正常工作。本文正是基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的這

5、些特點，利用小世界網(wǎng)絡(luò)具有大的集聚系數(shù)和小的路徑長度這兩個良好性質(zhì)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行拓撲優(yōu)化與抗毀性分析。 本文的第一章介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究背景，主要包含無線傳感網(wǎng)絡(luò)的基本概念、特點、應(yīng)用，并且介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在拓撲控制方面的研究現(xiàn)狀。 第二章介紹了小世界網(wǎng)絡(luò)的概念、模型及相關(guān)應(yīng)用，并且分析了目前小世界特性在無線網(wǎng)絡(luò)中的研究現(xiàn)狀。從而為后面章節(jié)的探討提供必要的研究依據(jù)。 分簇算法是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中實施

6、分層路由所采用的重要方法，尤其是傳感器節(jié)點受到能量和帶寬的嚴重制約。如何合理、有效地利用分簇算法使得網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的能量分布趨于一致，從而延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期，提高系統(tǒng)的整體性能指標，成為當前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域內(nèi)的熱點問題之一。第三章我們首先提出基于點集聚系數(shù)的簇優(yōu)化方案和基于邊集聚系數(shù)的分簇算法。我們首先研究了基于點集聚系數(shù)的簇優(yōu)化方案：通過對邊的介數(shù)和集聚系數(shù)的分析，在網(wǎng)絡(luò)中有選擇性地刪除一些多余的邊。仿真表明此算法能夠在保持整個網(wǎng)絡(luò)

7、連通的前提高下使網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)大大簡化，優(yōu)化節(jié)點的路由選擇，減少節(jié)點間的干擾沖突減少網(wǎng)絡(luò)能量的消耗，并使網(wǎng)絡(luò)顯示出明顯的簇結(jié)構(gòu)，而整個網(wǎng)絡(luò)平均跳數(shù)的變化不大。我們還研究了基于邊集聚系數(shù)的分簇算法，采用虛擬刪邊和結(jié)合對平均跳數(shù)和節(jié)點個數(shù)的限制，結(jié)合傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量均衡機制，提出一種基于小世界模型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇算法，該方法能夠有效地減少和均衡整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的能量消耗，延長整個網(wǎng)絡(luò)的生存時間，并且可以提高網(wǎng)絡(luò)的健壯性。最后，我們

8、做了仿真實驗。結(jié)果表明我們提出的算法的能量有效性能明顯優(yōu)于其它算法。 為了對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能進一步優(yōu)化，第四章在第三章分簇后的網(wǎng)絡(luò)模型上，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中添加長程聯(lián)接，使其同時具有小世界的大的集聚系數(shù)和小的最短路徑兩個良好性質(zhì)。線的添加是基于NIMS基礎(chǔ)設(shè)施，線的兩端各帶有一個無線收發(fā)器充當節(jié)點的角色，可以收集從其它傳感器節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，也可以將接收的數(shù)據(jù)發(fā)送給其它傳感器節(jié)點，線兩端的節(jié)點之間通過線傳輸數(shù)據(jù)。加線后的網(wǎng)絡(luò)主

9、要是通過減少網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的傳送數(shù)據(jù)的跳數(shù)來較少能量的消耗，同時也使得網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點能量的消耗更加均衡。因為在多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，靠近sink節(jié)點的那部分節(jié)點要頻繁為遠離sink節(jié)點的那部分節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，因此要比其它節(jié)點消耗更多的能量，并且可能過早的耗盡能量造成網(wǎng)絡(luò)的不連通。通過加線，可以大大減少靠近sink節(jié)點的那部分節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)，使網(wǎng)絡(luò)的能量消耗更加均衡，從而延長網(wǎng)絡(luò)生存周期。我們還對所建立的網(wǎng)絡(luò)模型進行數(shù)學(xué)分析，根據(jù)匯聚節(jié)點放置的不同

10、位置給出不同的計算公式，計算出網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點傳送一次數(shù)據(jù)到匯聚節(jié)點所需要的跳數(shù)的一個上界，并將該理論值同仿真結(jié)果進行比較，仿真表明我們的方案與分析的理論值十分接近，其對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量有效性有大幅度的提高。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由數(shù)量龐大的節(jié)點以自組織方式構(gòu)成，傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中的魯棒性、可靠性及對環(huán)境的適應(yīng)性等成了傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中必須要考慮到的問題。網(wǎng)絡(luò)抗毀性是可靠性研究的重要指標，它描述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在電力耗盡、硬件故障或者遭

11、遇入侵等形成的節(jié)點失敗情況下的可靠程度.對于網(wǎng)絡(luò)抗毀能力的評估，有助于發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可靠性的薄弱環(huán)節(jié)，采取有的放矢的保護策略提高網(wǎng)絡(luò)的抗毀能力。為了更精確、客觀地度量網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的抗毀性我們在第四章提出了一種基于覆蓋率與連通性測度的抗毀性評估模型。從特定的實際網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)出發(fā)，給出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)連通性的一個新測度一連通系數(shù)，在此基礎(chǔ)之上給出了抗毀性測度的新定義，針對面臨的兩種攻擊，給出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)抗毀性的兩個新測度一容錯度和抗攻擊度，并對基