基于小世界特征的无线传感器网络拓扑优化

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1、为了确保“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备正常使用，我校做到安装、教师培训同步进行。设备安装到位后，中心校组织各学点管理人员统一到县教师进修学校进行培训，熟悉系统的使用和维护。基于小世界特征的无线传感器网络拓扑优化　　摘要：针对无线传感器网络存在的能量消耗问题，在基于复杂网络小世界特征基础上，通过在无线传感器网络中增加超级节点，并在超级节点之间建立超级链路，提出一种具有小世界特征效应的无线网络模型。从复杂网络的视角计算分析了在传感器网络中部署超级节点对网络节点能量效率的影响。仿真研究结果显示，在传感器网络中适当增设少量超级节点，可大幅减少网络的平均路径长度，明显改善网络传输性能，同时

2、极大地提高了网络节点的节能比率。　　关键词：无线传感器网络；复杂网络；拓扑优化；小世界特征　　中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：2095--00-03　　0引言　　经典的复杂网络理论已经证明：为了充分发挥“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备的作用，我们不仅把资源运用于课堂教学，还利用系统的特色栏目开展课外活动，对学生进行安全教育、健康教育、反邪教教育等丰富学生的课余文化生活。为了确保“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备正常使用，我校做到安装、教师培训同步进行。设备安装到位后，中心校组织各学点管理人员统一到县教师进修学校进行培训，熟悉系统的使用和维护。“小世界效应”在社会关系

3、网络中广泛存在[1，2]。小世界现象的本质特征是具有小的平均路径长度和大的集聚系数[3，4]。小世界特征普遍存在于如计算机互联网、科学家合作网、社会关系网等现实网络中，同时小世界理论还广泛存在于电力网络、神经网络等系统中[5，6]。真实的网络可以分为关系网络与空间网络两大类。在关系网络的拓扑结构中，节点之间的连接与节点距离和位置无关，节点之间的距离以跳数来计算；空间网络节点之间的连接与节点之间的距离和位置紧密相关。传统的复杂网络研究通常都将社会关系或者技术网络抽象为关系网络，属于关系图的范畴；无线Ad-Hoc网络与无线传感器网络由于其传输半径的限制，是空间网络，属于空间图的范畴。空间网

4、络的拓扑结构与连通性及传输半径紧密相关。　　小世界特征是指网络较小的平均路径长度和大的聚类系数，无线传感网络中节点之间采用无线多跳方式传输数据，引入小世界特征可以降低网络系统的通信开销，并增强网络的容错性，从而延长整个系统的生存时间[7-11]。张[12]等选择性地删除一些边，基于汇聚节点建立捷径，交替进行，直到两个小世界特征达到最优。周[13]等基于小世界与能效提出了一种容迟网络路由算法。Nardis[14]等设计了一种自适应选举簇头，簇头之间动态建立捷径，生成具有小世界特征的网络拓扑结构，实验结果显示了该网络的优良性能。为了充分发挥“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备的作用，我们不

5、仅把资源运用于课堂教学，还利用系统的特色栏目开展课外活动，对学生进行安全教育、健康教育、反邪教教育等丰富学生的课余文化生活。为了确保“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备正常使用，我校做到安装、教师培训同步进行。设备安装到位后，中心校组织各学点管理人员统一到县教师进修学校进行培训，熟悉系统的使用和维护。　　根据传感网应用环境的不同，部署方式可以分为确定性部署和随机部署两类。在监测范围小且人类方便到达的应用环境如车间、医院、商场中，可以预先确定传感器节点的位置并手工部署在确定位置上。但当网络规模较大或在环境恶劣危险的场合应用时，如湖泊、沼泽、沙漠、战场、疫区等，通常采用随机播撒方式。本文在

6、无线传感网中引入复杂网络中的小世界特征，结合确定性部署和随机部署方式，在随机部署的基础上，确定部署少量具有更高能量、更强数据处理能力的超级节点，在超级节点和汇聚节点之间建立超级链路形成直接通信的可靠捷径，从而构建基于无线传感器网络小世界效应的网络模型。　　1小世界效应的传感器网络模型　　网络模型设计　　在无线传感网络应用中，通常传感器节点一旦部署，位置便相对固定，且需长期运行监测如森林火灾检测的应用场景，本文采用的网络模型为N个传感器节点均匀部署在一个X×Y的长方形区域Z内，每个节点均匀分布在交叉点上，为了避免网络拓�浣峁咕�常改变，假定所有传感器节点一旦部署位置固定，且这些节点是同构

7、的，具有相同的能量和相同的通信半径，并知道自己的位置信息，位置采用平面坐标标记，其中0≤x≤X-1，0≤y≤Y-1。网络拓扑形成平面Mesh结构，如图1所示。　　传感器节点只与临近节点即与自己垂直和水平方向的节点传送和接收数据，汇聚节点可以部署于区域范围内的任何位置，传感器节点以一定的速率发送数据传到汇聚节点，汇聚节点可以与其他有线网络或者无线网络连接，最后传送到用户终端。传感器节点也可采用贪婪路由策略，即数据经最短距离传送到汇聚节点。　　小世