无线传感器网络中拓扑控制算法的研究

【摘要】无线传感网[1]的应用日益广泛，本文在众多学者研究的基础上，分别对无线传感器网络及无线传感网络中的拓扑控制算法进行了系统的介绍，同时还对现今受关注度比较高的新颖模型——元胞自动机进行了详细的介绍，基于无线传感网络和元胞自动机的相似特性，将元胞自动机应用于模拟无线传感网的网络整体行为受到众多国内外学者的极大关注。本文阐述了传统的分簇拓扑控制算法的弊端，同时介绍了非分簇的拓扑控制算法CATCA。CATCA算法虽然对传感器节点之间的通信方式、节点状态及节点能量这三个方面进行了优化，但是其未考虑到当节点同时满足能量和标志值时状态的改变。在此基础上，本文提出了改进后的拓扑控制算法NCATCA，该算法在算法CATCA基础上对每个传感器节点添加了活动邻居节点计数器，用来在每个时步内统计中心节点周围邻居节点中活动节点的数目，为节点状态的更改做准备，同时对节点的能量计算重新进行了定义，并给出了计算公式，该公式更均衡的考虑到两种状态节点之间通信的能耗。这样，在每次激活休眠节点时不仅仅根据元胞自动机的状态更新规则，同时兼顾节点自身剩余能量，从而更好的延长网络的服务时间。本文还研究了无线传感器网络的拓扑维护协议，无线传感网的拓扑维护基本思想都是通过一定的调度机制将当前时步未参与到网络通信活动中的节点置于休眠状态，并周期性的将其唤醒，同时将活动节点置为休眠状态，来达到节能的目的。在分析了传统的拓扑维护协议基础上，提出了基于元胞自动机的拓扑维护协议BCATCM，该协议将拓扑维护过程分为4个阶段进行，并给出了每个阶段的构建过程及详细描述，另外本文还将数学理论中的泰森多边形应用到无线传感网络中，根据节点之间构建出来的虚拟多边形，通过泰森多边形的性质来判断相邻节点之间是否是通信可达的，此外在拓扑维护过程中，将元胞自动机模型与此理论结合，在整个拓扑维护构建过程中，能更均衡的选择节点来延长网络的生命周期。另外，本文将无线传感网络中传统的节点功率控制技术和元胞自动机模型结合在一起，提出了基于元胞自动机的功率控制算法PCBCA，该算法以中心节点的邻居节点数目作为计算中心节点发射半径的核心依据，随着邻居节点的数目变化，动态的调整中心节点的发射半径，同时根据元胞自动机节点状态更新规则及节点自身剩余能量的判定将冗余覆盖的节点置为休眠状态，来达到节能和延长网络生命周期的目的。本文最后分别对这三个算法进行了实验模拟，从节点能量损耗、网络生存时间、网络覆盖度、网络中存活节点数量随时间变化关系等方面与现存算法进行了对比，并以实验对比数据为依据，说明这些算法在相应性能指标上取得的优化，提高了网络的服务性能。
【作者】房清龙；
【导师】王爱民；
【作者基本信息】吉林大学，计算机应用技术，2014，硕士
【关键词】元胞自动机；无线传感器网络；拓扑控制；

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