无线传感器网络的拓扑控制研究

减小字体 增大字体 作者:甘从辉 郑国强 唐盛禹  来源:www.zhonghualunwen.com  发布时间:2009-10-12 14:44:54

  无线传感器网络(WSNs)是由随机部署在监测区域内的大量体积微小,由计算、存储、通信功能的传感器节点组成,这些节点通过无线通信的方式形成多跳的自组织网络[1]。WSNs集数据采集、数据处理和数据通信三大功能于一体,是21世纪最重要的技术之一,其巨大的应用价值和发展前景引起了军事界、工业界和学术界的广泛关注[2]。
  WSNs的重要特征是资源受限,因此如何高效地利用网络的有限资源来延长网络寿命就成为研究WSNs的主要目标。拓扑控制作为WSNs重要的支撑技术,主要作用是在介质访问控制层(MAC)和路由层之间,为减少通信干扰提高MAC协议效率提供基础,为路由层提供足够的路由更新信息;而路由表的变化反作用于拓扑控制机制,MAC层也可以为拓扑控制算法提供邻居发现等消息。拓扑控制同时为网络时间同步、数据融合及目标定位等关键技术提供支撑,因此良好的拓扑结构在WSNs中至关重要,成为实现有限资源利用最大化的必要条件。
  目前,WSNs拓扑控制逐渐成为研究的热点,但目前看来,对拓扑控制全方位的分析和评述还很少,尤其是对拓扑控制与连通、调度之间关系的研究大多局限在单方面或仅泛泛而谈,没有深层次挖掘三者间“点、线、面”的关系。本文的研究无疑为推动拓扑控制的进一步发展奠定了一定的基础。
  
  1 拓扑控制的目标
  
  整体来说,WSNs拓扑控制的目标就是通过调整节点的发射功率、节点间的层次关系或工作状态等技术来满足网络结构的需要或特定应用场景的要求。在保证一定的连通度和覆盖的前提下,拓扑控制以提高能量使用效率、延长网络生存时间为核心目标,同时兼顾降低网络干扰、避免隐藏终端或暴露终端、提高网络吞吐量等因素。
  WSNs是与应用高度相关的,不同的应用系统对拓扑结构的要求不尽相同。从简化路由、提高MAC协议效率来讲,生成的拓扑应具备稀疏性和对称性;从消息转发的可达性和可扩展性的角度来讲,拓扑应具备平面性和局部性;从实现节点间互相通信和健壮性的要求考虑,拓扑结构必须具备连通性和容错性。另外,拓扑控制算法在执行报文交互时必然会消耗节点能量,而节点本身的计算能力、存储能力和通信能力有限,算法复杂必然会带来实现上的困难和物理成本的增加,所以在设计拓扑时要结合场景的实际需要,生成的拓扑应在稀疏性、对称性、连通性等这些错综复杂的关系中折中,并结合算法本身的实现代价综合考虑。
  
  2 基于随机图理论的拓扑模型与控制算法
  
  2.1 拓扑模型
  随机图理论在信息科学中被广泛地应用,UDG、RNG和MST等都是基于随机图理论的经典拓扑模型,很多的拓扑结构都是在它们的基础上演变而来的。从连通和抗干扰的角度对拓扑模型进行分类,如图1所示。
  1)单位圆图(UDG)
  假定网络中N个节点构成了二维平面中的节点集V,所有节点都以最大功率工作时所生成的拓扑称为UDG (unit disk graph) 。若所有节点最大的传输范围为1,无线节点在平面中就构成了一个UDG,当且仅当图中每对节点间的欧氏距离dis(u,v)≤1时,两个节点之间才有链路相连。UDG的连通性是网络能够提供的最大连通性,因此,任何拓扑控制算法生成的拓扑都是UDG的子图[3] 。
  2)准规则单位圆图(QUDG)
  假设V、R是两个空间平面的节点集,且VR,设参数d∈[0,1],则对称的欧氏图(V, E)被称为以d为参数的准规则单位圆图(QUDG)。图中对任意α,β∈V,若|αβ|≤d,则(α,β)∈E;若|αβ|>1,则(α,β)E。在实际应用中,节点的发射功率会因为硬件或环境等各种原因而变化,所以QUDG是比UDG更接近实际的拓扑模型[4]。

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