无线传感器网络拓扑控制研究

随着无线传感器网络的广泛应用,传感器节点的部署环境也更加复杂,网络性能受到很大影响,通过优化拓扑结构,最大化利用节点有限资源成为拓扑控制研究的重要内容,网络拓扑控制在延长网络生命周期、节约节点资源、降低网络干扰等方面发挥着重要的作用,它能够提高路由协议和MAC协议的效率,为数据融合、时间同步和目标定位等很多方面提供基础。设计实现一种高效的拓扑控制机制已成为无线传感器网络的研究重点,该文中主要是针对现有的部分拓扑控制算法进行了分析和比较。     

一种无线传感器网络数据收集协议的研究与优化

PEADG(Power Efficient Algorithm for Data Gathering)协议是基于WSN的抄表系统数据收集协议,PEADG协议建立的网络拓扑结构由多棵树组成,树根节点分担了网络负载,较好地延长了网络生命期,但PEADG协议仍然存在一些问题,如:没有考虑多棵树上节点个数的平衡等。针对协议中存在的问题,提出了三方面的改进:①平衡了拓扑结构中多棵树的网络负载;②增加了对节点剩余能量的考虑;③利用基站收集了网络拓扑信息。利用MATLAB工具对改进后的协议进行了仿真,结果表明改进后的协议延长了网络的生命期。     

基于免疫克隆选择机制的WSN节点调度算法

由于无线传感器网络节点分布不均匀,监测环境复杂等特点,远离Sink的节点由于能耗较大,并且容易导致网络覆盖面积不足.提出一种启发式的利用人工免疫克隆选择机制的节点调度优化算法(AICSO),将网络生命期划分为具体数量的迭代周期并生成中心节点的覆盖位图,利用节点间冗余进行有效地拓扑控制合理调度节点,以获得网络的最优连通性和最大面积的覆盖.仿真结果表明,上述算法能够有效利用网络节点的能量满足感知覆盖和连通性要求,延长了网络生命周期,降低了网络整体能耗,为网络优化节点调试提供了依据.     

无线传感器网络中基于概率触发的负载均衡拓扑控制算法

多跳无线传感器网络中,部分节点由于担当数据转发任务,能量消耗较快,缩短了网络的生命期。充分考虑节点承担数据转发任务时负载过大的特点,用剩余能量和发射功率构建综合权值来决定节点担当数据转发任务的可能性,并通过设计的拓扑维护概率周期性的对网络拓扑进行局部调整,形成了基于概率触发的负载均衡拓扑控制算法,有效地解决了节点由于担当转发任务而造成能量过早耗尽的问题在一定程度上均衡了节点负载,延长了网络生命期。     

基于动态概率休眠调度机制的WSNs拓扑控制算法

为了兼顾无线传感器网络(WSNs)的低能耗和连通性,提出了一种动态概率休眠调度机制的拓扑控制(DPSS-TC)算法.DPSS-TC算法根据分簇后的簇内成员节点数量动态设置节点休眠概率,采用强制性唤醒休眠节点与提高相应活跃节点的发射功率相结合的方法来恢复连通受损的局部拓扑结构.仿真实验表明:DPSS-TC算法既保证网络的连通性能,又有效地延长了网络的生命周期.     

基于二邻居图的无线传感器网络边缘检测算法

针对传统边缘检测算法未考虑边缘宽度的问题,提出了一种基于二邻居图的无线传感器网络边缘检测算法,通过调节节点通信半径得到合适的边缘宽度。该算法不需要任何节点位置信息,仅通过分析二邻居图的拓扑连通性来判断边缘节点。仿真结果表明,该算法能够准确检测出边缘节点,对于分布稀疏、节点密度较低的局部边缘同样适用,能够应用于无线传感器覆盖质量、连通性和能量管理等,有效延长了网络生命期。     

无线传感器网络的拓扑控制算法综述

无线传感器网络的首要设计目标即延长网络生命期,而网络拓扑作为路由层协议和MAC层协议的重要平台,对其进行控制是实现这一目标的支撑基础.本文总结和分析了传感器网络领域已有的拓扑控制方面的研究成果,阐述了多种受研究者关注较多的典型拓扑控制算法,并指出其中有待解决的问题,进而归结了拓扑控制算法设计中需考虑的因素,随后针对功率控制和分簇控制分别设计了两种算法模型,最后探讨了今后应研究的问题,指明了下一步研究中的重点和难点.     

跨层优化的WSN能耗均衡拓扑博弈算法

由于无线传感器网络承载服务的多样性和工作环境的复杂性，使得基于单层信息设计的拓扑控制方法面临挑战。针对该问题，通过引入博弈理论和超模博弈的概念，将节点度、网络连通性和MAC层干扰程度等跨层信息融入到效用函数的设计中，构建了一种新的拓扑博弈模型，并证明了该模型属于超模博弈且存在纯策略纳什均衡，进而提出了一种跨层优化的WSN能耗均衡拓扑博弈算法（COETG）。通过仿真实验与对比分析表明，COETG算法能在保证网络连通性和鲁棒性的前提下，降低节点发射功率，拥有良好的能耗均衡性和能量效率，有效延长了网络生存时间，提升了网络性能。     

基于连续渗流的WSN非规则通信模型

在连续渗流理论基础上提出一种新的非规则通信模型,减小邻居节点的半径,实现网络稀疏性,通过随机加长某些拓扑边提高网络连通性,解决两者之间的矛盾。仿真实验结果表明,该通信模型在稀疏性和连通性方面均优于UDG通信模型,减少节点能耗,延长网络的生命周期。     

异构无线传感器网络中基于CDS树的拓扑控制方法

拓扑控制是无线传感器网络中节约能量、延长网络生命的关键技术。针对现有拓扑控制方法主要集中在同构网络中作为拓扑构建或拓扑维护单独研究的问题,提出了包含两个过程的异构网络分布式拓扑控制算法A3M。拓扑构建基于最小连通支配集构建虚拟骨干树,在保证连通性的同时关闭网络冗余节点以降低能耗;拓扑维护对网络性能进行评估,当现有网络性能严重下降时,改变拓扑以保障网络的稳定运行。理论分析和仿真实验证实算法能够以较小的时间和消息代价减少拓扑构建能耗并延长网络时间。     

拓扑控制对Ad hoc网络能耗及生存期的影响分析

Ad hoc网络的能耗主要与节点的发射功率、数据包转发次数及端到端通过量三者有关。通过建立网络能耗模型分析和实验仿真发现,对负载较低的网络实施拓扑控制技术可以降低网络能耗、延长网络生存期;而对负载较高的网络实施拓扑控制技术,虽不能有效降低网络能耗,但仍然可以延长网络的生存期。     

无线传感器网络中基于梯度的拓扑控制算法

对无线传感器网络,根据定向扩散协议提出一种基于梯度场拓扑控制算法（ETBG）,以减少分级簇等级,从而达到降低时延的目的,同时采用基站移动的方法平衡网络负载,进一步提高网络的生存期。最后通过仿真验证算法的有效性。     

AdHoc网络基于能量均衡的拓扑控制算法研究

为了延长无线AdHoe网络的生存期,降低节点传输过程中的功率消耗,该文提出了一种基于能量均衡的分布式拓扑控制算法,通过引人综合反映能量消耗及剩余能量两方面因素的路径权值函数,根据节点剩余能量的实时变化动态优化网络的拓扑结构。仿真结果表明,算法可以构建具有连通性的网络拓扑结构,与其它算法相比,能够均衡整个AdHoc网络节点的能量,显著地延长网络的寿命,从而保证网络长时间的可靠运行。     

Power control based topology construction for the distributed wireless sensor networks

Wireless sensor network consists of large number of sensor nodes with limited battery power, which are randomly deployed over certain area for several applications. Due to limited energy resource of sensors, each of them should minimize the energy consumption to prolong the network lifetime. In this paper, a distributed algorithm for the multi-hop wireless sensor network is proposed to construct a novel energy efficient tree topology, without having location information of the nodes. Energy conservation of the nodes is accomplished by controlling transmission power of the nodes. Besides, maintenance of the network topology due to energy scarcity of the gateway nodes is also proposed in the protocol. Simulation results show that our distributed protocol can achieve energy conservation up to an optimum level similar to the centralized algorithm that we have considered and can extend the network lifetime as compared to other distributed algorithms without any power control.     

An energy-efficient topology construction algorithm for wireless sensor networks

Topology management schemes have emerged as promising approaches for prolonging the lifetime of the wireless sensor networks (WSNs). The connected dominating set (CDS) concept has also emerged as the most popular method for energy-efficient topology control in WSNs. A sparse CDS-based network topology is highly susceptible to partitioning, while a dense CDS leads to excessive energy consumption due to overlapped sensing areas. Therefore, finding an optimal-size CDS with which a good trade-off between the network lifetime and network coverage can be made is a crucial problem in CDS-based topology control. In this paper, a degree-constrained minimum-weight version of the CDS problem, seeking for the load-balanced network topology with the maximum energy, is presented to model the energy-efficient topology control problem in WSNs. A learning automata-based heuristic is proposed for finding a near optimal solution to the proxy equivalent degree-constrained minimum-weight CDS problem in WSN. A strong theorem in presented to show the convergence of the proposed algorithm. Superiority of the proposed topology control algorithm over the prominent existing methods is shown through the simulation experiments in terms of the number of active nodes (network topology size), control message overhead, residual energy level, and network lifetime.     

一种适用于无线传感器网络的功率控制MAC协议

功率控制技术通过减少节点的发射功率来降低能耗,但节点间不对称的发射功率会增加网络的冲突概率并降低吞吐量.根据实际环境中的节点部署情况,引入了基于Pareto分布的系统模型.研究了传感器网络中功率控制技术在节省能量方面的性能,提出了一种基于SMAC(sensor-MAC)可适用于无线传感器网络的功率控制MAC(media access control)协议.此协议使用功率控制调度算法选择最优相邻节点,使网络中节点的拓扑连接得到优化,在保证网络连通性的同时,降低通信的冲突率,扩大网络的吞吐量.信息的传递以最优功率发射,并使通信节点具有反作用冲突节点的能力,从而在降低网络能耗的同时保证了节点间通信的公平性.实验仿真结果显示,与现有的几种重要方案相比,新的功率控制MAC协议使网络具有了更大的有效吞吐量及更长的生存时间.     

基于NS3的水下LEER协议优化与分析

水下无线传感器网络作为无线传感器网络在水下的应用扩展,成为当今研究的热点。在水下通信中能量补给困难、能量均衡性差、网络生存周期短的问题依然没有得到解决。为了提高水下无线传感器网络数据交付率,延长网络生存期,设计一种适用于水下拓扑动态变化、能量均衡性高的路由协议极为重要。基于层级节能的路由（LEER）协议有效解决了路由空旷问题。优化后的LEER协议采用多sink的拓扑,从单跳延迟、剩余能量、节点密度以及水下节点发生移动层级随之更新的角度,提出基于NS3的水下LEER协议能量均衡优化策略。仿真结果表明,优化后的LEER协议在能量均衡性、数据交付率和适应动态拓扑等方面均优于LEER协议。     

一种基于反向CDS树的异构WSNs拓扑构建方法

在无线传感器网络中,拓扑控制是节约能源、延长生命周期的一项关键技术。现有拓扑控制方法的研究主要集中在同构网络,对此,面向异构网络提出了一种低信息复杂度的基于反向连通支配集树的分布式拓扑构建算法。基于最小连通支配集构建虚拟骨干树,改进了A3G算法中节点的适应度函数和算法流程,优化了产生的连通支配集的规模和通信开销,进一步降低信息复杂度,在保证连通性的同时关闭网络冗余节点以降低能耗。理论分析和仿真实验证明,算法能够以较小的时间和通信代价构建拓扑,延长网络生命周期。     

IRPL: An energy efficient routing protocol for wireless sensor networks

This study aims to overcome the disadvantages of the original RPL (IPv6 Routing Protocol for Low power and Lossy networks) routing protocol (RPL including problems with energy consumption and energy load balance). We developed a relatively balanced RPL – the improved protocol (IRPL). This protocol is based on an efficient clustering algorithm and an effective topology control model of the loop domain communication route. The clustering algorithm can be used to calculate the optimal number of cluster heads by assumption of the network model. Combined with the clustering probability model and the node competition mechanism, the cluster head node in the wireless sensor network was used to complete the clustering process. In the topology control model, the wireless sensor network was divided into concentric rings with equal areas. Nodes determined the best network route, depending on different levels of ring domain and the optimal forwarding communication area defined in this study. Simulation results indicate that the IRPL routing protocol can reduce overall network energy consumption, balance network energy consumption, and prolong network lifetime.     

移动Ad hoc网络中基于拓扑控制的节能算法

如何降低节点能耗,延长节点生存时间是移动Ad hoc网络的一个研究热点,对此提出了一种基于拓扑控制的节能算法ECA/TC（Energy Conservation Algorithm with Topology Control）。该算法在RNG图的基础上,采用邻节点消除机制,有效降低了节点的传输功率及广播消息在网络中的转发次数。仿真结果显示该算法具有较好性能,能够提高网络能效。