基于传输范围覆盖的无线传感器网络广播算法

广播在无线传感器网络中具有广泛的应用.泛洪广播虽然简单,但极为耗能.基于概率、基于计数以及基于位置等广播算法不使用任何邻节点信息,简单但性能改善有限.MPR以及多数基于连通支配集的广播算法利用2-hop邻节点信息计算转发节点集,虽然获得了较好的性能,但需更多的通信开销以获取和维护2-hop邻节点信息.为减少转发节点并节约通信开销,较好的实现无线传感器网络广播,本文利用1-hop邻节点信息提出了一种基于传输范围覆盖的广播算法TRCB.算法的主要思想是如果发送节点U的1-hop邻节点V被U和不包括节点V的其余1-hop邻节点集S覆盖,则节点V将不参与转发.分析与仿真表明,TRCB有效减少了冗余转发节点,从而节约了无线传感器网络能耗;并且利用1-hop邻节点信息,具有通信开销小、适应网络拓扑变化的特点;且其性能优于同样利用1-hop邻节点信息的边缘转发算法EFB.     

一维传感网中混合数据传输的能量均衡

无线传感器网络的固有通信特征会引发能耗不均衡现象,进而产生能量空洞问题;混合数据传输是新近提出的一种能量空洞避免策略,其能量均衡性能主要取决于各节点的传输概率.然而,传输概率的设置还缺乏相关理论模型的指导,而且在节点传输距离受限的条件下能否通过混合传输策略实现全网能量均衡,还有待进一步研究.将一维网络中混合传输策略的能量均衡问题转化为传输概率的优化分配问题,通过相应的形式化模型,推导传输概率的精确表达.研究中发现:传输概率主要取决于节点的位置,但当网络片段的个数超过某一阈值时,传输概率的取值非法,无法应用混合传输策略均衡网络能耗.在此基础上,从理论上给出了全网能量均衡的条件,证明仅当网络片段数不超过n₀时全网能量均衡才能实现,n₀仅取决于一个文中新发现的系数α,α是通信系统的能耗溢价率.还分析了传输距离设置对能量均衡的影响,给出了一般情况下混合传输策略的能量均衡上限.通过仿真实验对所给出的能量均衡条件进行了验证,实验结果与理论分析表明:该条件下,基于所提方法设置传输概率,能够均衡所有节点的能耗.     

P2-Packing问题参数算法的改进

P₂-Packing问题是一个典型的NP难问题.目前这个问题的最好结果是时间复杂度为O^*(2^5.301k)的参数算法,其核的大小为15k.通过对P₂-packing问题的结构作进一步分析,提出了改进的核心化算法,得到大小为7k的核,并在此基础上提出了一种时间复杂度为O^*(2^4.142k)的参数算法,大幅度改进了目前文献中的最好结果.     

光RP(k)网络上Hypercube通信模式的波长指派算法

波长指派是光网络设计的基本问题,设计波长指派算法是洞察光网络通信能力的基本方法.基于光RP(k)网络,讨论了其波长指派问题. 含有N=2ⁿ个节点的Hypercube通信模式,构造了节点间的一种排列次序Xn,并设计了RP(k)网络上的波长指派算法.在构造该算法的过程中,得到了在环网络上实现n维Hypercube通信模式的波长指派算法.这两个算法具有较高的嵌入效率.在RP(k)网络上,实现Hypercube通信模式需要max{2,「5(2^n-5/3」}个波长.而在环网络上,实现该通信模式需要复用(N/3+N/12(个波长,比已有算法需要复用「N/3+N/4」个波长有较大的改进.这两个算法对于光网络的设计具有较大的指导价值.     

无线传感网中基于优选转发的多跳可靠传输方案

针对无线传感器网络中通信链路不可靠问题,提出了一种基于优选转发的多跳可靠传输方案.该方案首先根据当前发送节点的位置、信噪比、包长度以及目标节点的方向等以总跳数最小为目标计算一个理想点坐标,并以理想点为圆心确定转发区域,然后通过选择成功接收到发送节点数据包且距离目标节点的距离最小的转发区域内的节点承担转发任务.分析和仿真表明,较之已有的工作,方案能有效提高了多跳可靠性,同时能有效地避免广播风暴节省通信开销.     

Multi-Radio Multi-Channel无线传感器网络中信道分配和路由策略

针对无线传感器网络中传输时延长、传输冲突大和吞吐量低等问题,提出了一种在Multi-Radio Multi-Channel无线传感器网络中信道分配和路由策略.该策略动态地建立k元n立方体拓扑结构,使用优化的静态信道分配算法提高节点的吞吐量,使用维序寻径的路由算法减少传输冲突.该方法适用于网络节点稠密、节点相互之间通信冲突大的情况,并且在单跳和多跳的网络环境下均适用.实验结果表明,基于k元n立方体这一拓扑结构的信道分配和路由策略与传统方法相比,有效地减少了端到端时延,降低了网络冲突,减少了节点能量消耗,延长了网络寿命,提高了网络吞吐量.     

无线传感器网络最小覆盖集的贪婪近似算法

网络生命期是限制无线传感器网络发展的一个瓶颈.在保证网络监控性能的前提下,仅调度部分节点工作而让其余节点处于低功耗的休眠状态,可以有效节省能耗,延长网络生命期.节点调度的目标是寻找一个能够覆盖监控区域的最小节点集合,这是一个NP难问题,目前,其近似算法的性能较低.提出了一种基于贪婪法的最小覆盖集近似算法,在构造覆盖集的过程中,优先选择扩展面积最大的有效节点加入覆盖集.理论分析表明,该算法能够构造出较好的覆盖集,时间复杂度为O(n),其中,n为初始节点总数.实验数据表明,该算法的性能要优于现有算法,得到的覆盖集的平均大小比现有算法减小了14.2%左右,且执行时间要短于现有算法.当初始节点分布较密时,该算法得到的平均覆盖度小于1.75,近似比小于1.45.     

一种改进的井下无线传感器网络广播算法

针对现有的井下无线传感器网络广播算法能耗较高的问题,提出了一种改进的无线传感器网络前向广播算法。该算法中,转发节点可根据自身位置,选择优先节点转发信息,大大减少了无线传感器网络中需要转发的冗余信息量,从而降低了网络能耗。仿真结果表明,该算法在网络节点密度达到一定值时,满足网络接收率要求,且能够限制转发的信息总量,有效降低了无线传感器网络能耗。     

一种分布式无线传感器网络节点定位算法

基于接收信号强度(RSSl)的无线传感器网络节点定位算法由于无需额外测距硬件的支持而受到广泛的应用.但无线信号传输受到环境的影响,使得基于RSSI的定位算法存在较大的定位误差.针对上述不足提出了一种基于概率的无线传感器网络节点定位方法.首先根据信标节点发送信号强度与未知节点接收信号强度差来计算未知节点到其一跳范围内所有信标节点的估计距离,然后根据这些估计距离,通过计算未知节点在某个位置概率密度函数的最大值来确定未知节点自身的位置坐标.通过仿真表明,该方法在较低的信标节点密度和节点通信半径条件下,具有较高的节点定位精度和定位覆盖率.     

ZigBee 无线传感器网络节点能耗模型研究

针对当前无线传感器网络能耗模型计算复杂、通用性差及理论模型与实际相差较大等问题,提出一种 ZigBee 无线传感器网络节点的能耗模型。采用无线传感器网络节点工作电压、发送状态、接收状态中各阶段的时长和工作电流以及休眠状态的工作电压和工作电流等参数,建立无线传感器网络节点处于发送状态、接收状态和休眠状态的能耗数学模型,进而建立无线传感器网络节点的总能耗数学模型。实验结果表明,该模型能够准确预测无线传感器网络节点传输能耗代价和剩余工作寿命。     

无线传感器网络MAC层节能广播协议

在无线传感器网络中,使节点休眠是一种有效的节能方式。很多较新的MAC协议都采用定期休眠的机制进行节能,如B-MAC、VPCC、X-MAC、A-MAC等。这些协议并未针对广播进行设计,使得发送广播需要消耗较多能量,而且易于发生隐藏节点引起的冲突。提出了适用于休眠传感器网络的节能广播协议。该方法中广播报文以随机间隔进行重传,能够保证异步休眠的节点接收到广播数据;在产生隐藏节点冲突问题时,随机间隔的机制能够使相互干扰的报文较快分离,降低报文冲突的干扰。通过NS-2模拟,验证了广播协议的节能性和高效性。     

Multi-constraint multi-objective QoS aware routing heuristics for query driven sensor networks using fuzzy soft sets

In this paper, a fuzzy based distributed power aware routing scheme considering both energy and bandwidth constraints, especially for query driven applications in the asynchronous duty-cycled wireless sensor networks are devised. The proposed multi-constraint, multi-objective routing optimization approach under strict resource constraints guarantees reliability and fast data delivery along with efficient power management in spite of unreliable wireless links and limited power supply. In query driven applications, the request from the sink to the individual sensor node will be a broadcast message, whereas the individual sensor nodes replies back to sink as unicast messages. In the proposed work, the fuzzy approach and “A Star” algorithm are utilized for satisfying energy and bandwidth constraints to route the broadcast messages of the sink while querying all the sensor nodes in the network. Every node will be provided with a guidance list, which is used to decide the next best neighbor node with good route quality for forwarding the received multi-hop broadcast messages. The route quality of the every node is estimated with fuzzy rules based on the network parameters such as maximum remaining energy, minimum traffic load and better link quality to increase the network lifetime. The provision of overhearing the broadcast messages and acknowledgements within the transmission range minimizes the effort to search for the active time of nodes while routing the broadcast messages with asynchronous scheduling. Further, in the proposed work only the time slot of its nearest neighbor relay node (to which packets are to be forwarded) is learnt to reduce the number of message transmissions in the network. For the unicast message replies, the fuzzy membership function is modified and devised based on the routing metrics such as higher residual energy, minimum traffic loads and minimum hop count under energy and bandwidth constraints. Also, the multi-hop heuristic routing algorithm called Nearest Neighbor Tree is effectively used to reduce the number of neighbors in the guidance list that are elected for forwarding. This helps to increase the individual sensor node’s lifetime, thereby maximizes the network lifetime and guarantees increased network throughput. The simulation results show that the proposed technique reduces repeated transmissions, decreases the number of transmissions, shortens the active time of the sensor nodes and increases the network lifetime for query driven sensor network applications invariant to total the number of sensor nodes and sinks in the network. The proposed algorithm is tested in a small test bed of sensor network with ten nodes that monitors the room temperature.     

无线传感网络低能耗时间同步的研究

低耗能是无线传感器网络时间同步算法的重要技术要求之一。为了降低同步过程中的能量消耗,提出了一种低能耗LECTS（Low Energy Consumption Time Synchronization）算法。该算法基于TPSN算法的基本思想,在两个阶段同时进行改进来降低能量消耗。在层次发现阶段利用节点之间的距离来限制部分节点广播,降低数据包的发送;在同步阶段结合单向广播和双向报文交换同步机制,也同样降低数据包的发送。通过仿真结果表明,与TPSN算法以及其改进算法STSP算法相比,算法能显著地降低无线传感器网络时间同步的能量消耗,且节点密度越大,节能越显著。     

基于马尔可夫链策略的传感器网络节点密度控制算法

如何保证多跳自组织网络的连通性是无线传感器网络研究的核心问题.在正态遮蔽衰退模型的基础上,借助状态转移概率矩阵提出一种基于马尔可夫链策略的节点密度控制算法.该算法利用一步转移概率矩阵求出信号在任意节点对之间互达的迟早概率,并通过令节点间信号互达的迟早概率趋近于1来逼近网络全连通时的最小节点密度.实验结果表明,与R.HEKMAT算法相比,所提出的算法能有效降低数值误差,从而提高算法结果与实验数据的吻合度.     

应用累积系数确认的网络编码机会路由协议

在无线mesh网络中,机会路由通过高效使用无线传输的广播特性显著地提高了无线网络的吞吐量.引入网络编码,使得机会路由协议可以避免复杂的调度,更加易于实现.然而,网络编码的引入给机会路由协议带来新的问题：转发节点应该发送多少编码包?MORE等协议依据平均链路状况信息来预计节点转发编码包数目的方法,无法准确判定发送的冗余.以CCACK为代表的研究采用逐跳反馈的方式来减少编码包的冗余发送.首先,针对采用正交向量确认的CCACK机制进行分析,说明了CCACK尽管可以减少确认开销,减少误判,但却带来了“信息空间已覆盖而无法正交”的漏判问题.在此基础上,提出了一种基于累积编码系数反馈确认的网络编码机会路由协议CFACK.该确认机制中转发节点通过侦听下游节点的编码系数向量,并与来自上游节点的编码系数向量进行相关性分析,从而获知下游节点信息是否覆盖自身信息.证明了在无差错网络环境下该确认机制不存在误判和漏判的可能,同时,在有差错网络环境下对该确认机制的有效性进行了分析.结果表明：在一般节点分布情况下,利用额外的一次携带确认,可以确保90%以上的准确性.仿真测试结果表明：CFACK相比CCACK,显著提高了网络的吞吐量,平均提高率为72.2%,同时在编码计算、存储和包头开销上都少于CCACK.     

无线传感器网络中能量有效自适应路由算法研究

针对无线传感器网络寿命最大化问题,基于无线传感器节点能耗分布特点和数据传输能耗模型,建立无线传感器网络生存周期的数学优化模型,并针对最小能耗路由的能耗不均衡问题和能量均衡路由的能耗开销问题,综合考虑网络中节点的剩余能量和节点间发送数据的能耗,提出一个适合无线多跳传感器网络的自适应路由算法。仿真结果表明,提出的路由算法能充分地利用有限的能量资源,较大地延长网络生存周期。     

无线Mesh 网络低干扰组播

不同于无线传感器网络和移动Ad Hoc网络,无线Mesh网络中的组播主要侧重于提高吞吐量,而干扰是影响吞吐量的重要因素。在构建组播拓扑时,传统的方法主要考虑最小价值或最短路径,而通过减少干扰来提高组播性能的研究较少,且它们的干扰计算方法都采用单播的思想,并不适合于组播。例如,当n个接收节点同时从一个节点接收数据时,在组播中这n个接收节点之间不存在干扰,而在单播中认为存在干扰。因此,提出了组播冲突图来计算组播干扰,给出组播树干扰的定义。可以发现,求最小干扰组播扰树是NP完全问题,然后提出基于万有引力的启发式算法构建具有较小干扰的组播树。为了适用于多信道的情况,提出了满足不同干扰范围的多跳信道分配算法。最后,仿真结果显示,与MCM相比,所提出的算法无论是在单天线单信道还是多天线多信道下,都能取得较高的吞吐量和较低的延迟。     

能量有效的无线传感器网络时间同步算法

针对无线传感器网络时间同步能耗问题,提出一种能量有效的时间同步算法。该算法结合了TPSN协议和RBS协议的特点,利用无线信道的广播特性,在两个参考节点广播域里的所有节点通过监听参考节点之间的数据包交换而达到同步。并提出一种同步节点选择方法,将该同步算法扩展到多跳网络。实验结果表明,该算法在保持同步精度的同时降低了能量消耗。     

基于秘密共享的无线传感器网络广播密钥分发协议

在无线传感器网络中,能量消耗主要集中在节点之间的通信上,节点计算所消耗的能量远小于通信所消耗的能量。由于无线传感器网络的"一对多"和"多对一"通信模式,广播是节约能量的主要通信方式。为了保证广播实体和消息的合法性和保密性,必须首先解决无线传感器网络广播密钥安全分发问题。本文在充分考虑无线传感器网络自身特点的基础上,基于Shamir的门限秘密共享方案,提出了椭圆曲线双线性对上的无线传感器网络广播密钥分发协议,并对其进行安全性和性能分析。分析发现,该协议不仅满足安全性要求,同时,能够适合无线传感器网络的特殊应用要求。     

一种新的基于非测距的无线传感器网络三维定位算法

针对无线传感器网络在空间、海洋等三维场景下的应用,提出了一种基于非测距的分布式三维定位算法(DRFP-3D).该算法无需测量节点间的实际距离,只需要锚节点广播它们自身的信标信息,在锚节点一跳通信范围内的未知节点接收并存储监听到的信标信息,并根据这些信息估计自身位置.与现有的基于非测距的三维定位算法相比,该算法的通信开销和定位误差均比较小,且对网络拓扑结构具有一定的鲁棒性.仿真结果表明,在500 m×500 m×50 m的三维空间内,随机放置20个锚节点,ANR=4,就能对97%的节点进行定位,其平均定位误差仅为20%左右.