无线传感器网络中拓扑构造算法的研究

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1、无线传感器网络中拓扑构造算法的研究第一章绪论1.1研究背景及意义数据是现代社会的黄金，收集新资源的途径，从中得出的结论以及无数相关应用都成为了非常有吸引力的研究领域。当你花费时间阅读文章时，已经收集了数十亿比特关于现实世界的数据，包括多少辆汽车穿过圣彼得堡桥，纽约帝国大厦每层的温度，或者在非洲中部热带稀树草原中一群斑马的当前位置，而这仅仅是开始。并且，在一些人类不方便或者危险的地方，更需要这种技术。图1.1包含一个无线传感器网络的网络实例无线传感器网络的主要目标是从环境中收集数据，然后将其发送到可以存储的报告地址，并观察和分析数据。无线传感器设备响应从控制站点发

2、送的查询，执行特定指令或提供随需应变传感样本。最后，配备执行器的无线传感器设备可以在一定条件下执行操作。有时我们更特别称这些网络为无线传感器和执行器网络。无线传感器网络的主要应用在危险或人类达不到的地方，进行检测和代理事件。例如，WSNs安装在化工厂可以监测有毒气体；安装在水生植物、河流、湖泊等地方，评估水的深度和质量；安装在濒危物种的地区，可以监控他们的出行方式和行为；安装在建筑中，可以监测空气质量，可以节约能源；在军事中应用，可以探测入侵者；或用于其他类似的应用中。如图1.1所示，无线传感器网络与现代技术相结合，如手机网络、因特网、其他adhoc技术[1]，

3、组成一个完整的解决方案。一种能够满足低耗能、灵活获取从城市环境到私人网络，以及在通信和能量基础设施受限的场景中获取定位信息的技术是无线传感器网络。这些网络是由资源有限的设备组1万方数据无线传感器网络中拓扑构造算法的研究成，这使得它们必须以高效的方式工作，特别是能量消耗方面。无线传感器网络节能的一个重要技术是拓扑控制，也是本文的重点。拓扑控制是指在保证网络覆盖和连通性的情况下，设置或调整节点的参数和操作形式，改善网络的拓扑,达到延长网络寿命的目的。拓扑构造方法之一是通过功率控制构造拓扑：这种方法可以在保证网络连通和覆盖的情况下，减小网络的拓扑、节省能量、延长网络的

4、寿命。但是，当一些节点相距很近时，该方法不能阻止冗余信息的传输，而且不能够简化网络的拓扑，以适应无线网络大规模配置的可扩展性。拓扑构造另一个重要的技术是层次拓扑构造：通过选择节点的一个子集作为通信层,只有通信层中的节点进行数据的传输，极大地减少了冗余信息的传输，简化了网络的拓扑，节省了信息收集和过滤、路由和信息转发所需要的能量。最近的研究对拓扑控制进行了新的定义。新的定义中，拓扑控制是一个迭代的过程，首先是无线传感器网络部署共有的阶段初始化阶段。在这个阶段过程中，节点开始探索并且使用最大的传输功率构建初始拓扑。初始化阶段完成后，第二阶段构建新的精简拓扑。这个阶段

5、称作拓扑构造。这个新的精简拓扑工作时，所有参与的传感器工作时需要能耗。并且，拓扑构造阶段开始构建精简拓扑时，拓扑维护的阶段必须开始工作。在拓扑构造阶段中，必须有一个新的算法来监控精简拓扑的状态，适当地触发拓扑维护进程，拓扑维护进程是由拓扑维护协议定义的，其中包含对拓扑构造算法的调用。在网络的生命周期内，一直重复循环直到网络能量耗尽。在拓扑构造和拓扑维护阶段各有很多不同类型的算法。1.1国内外研究现状目前，有关拓扑构造技术的研究分为两种：面向连通的拓扑构造和面向覆盖的拓扑构造。第一个分支集中研究产生连通的精简拓扑，但是不能保证部署区域的覆盖水平。第二个分支更倾向于

6、提供区域覆盖，不能保证连通性。下面介绍拓扑构造算法的研究现状，目前提出的知名的拓扑构造协议包括：A3协议、A3Cov协议、EECDS协议、CCDS协议等。文献[2]中Wightman和Labrador提出了A3算法。A3算法是一个分布式、简单、能量有效的拓扑结构机制，在保持网络连通，提供完全通信覆盖的同时，关闭没必要的节点，生成一个次优的连通控制集。A3算法利用基于距离-能量的权重指标，使得运行商能够在树的鲁棒性，即距离和持久性，即能量之间做出权衡。通过与其他知名拓扑构造算法的比较，证明了提出的方案在活跃节点数和能量有效方面的优越性。随后Wightman和M.A

7、.Labrador提出了改进的A3算法，A3Cov算法[3]。基于A3算法，文章提出一个新的拓扑构造算法A3Cov算法。A3Cov算法提供了一个基于[4]中声明的连通区域覆盖问题的近似解决方法：在密集网络中，如果网络中所有节点被至少一个活跃节点的感知区域覆盖，那么这个部署区域就能以高概率覆盖。A3Cov协议工作方式与原始A3算法相似，通过构建一个虚拟骨干保证网络中节点连通。这两个算法的不同之处2万方数据无线传感器网络中拓扑构造算法的研究在于覆盖的概念上：A3中覆盖是指为了提供连通性，活跃节点的通信半径覆盖所有节点，A3Cov中定义相似，但使用的是感知半径，提高感

8、知覆盖。A3Cov协议牺