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无线传感器网络拓扑建立方法与应用技术研究

作　者: 刘卓
导　师: 汪秉文
学　校: 华中科技大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 无线传感器网络连通性邻近图簇状层次拓扑结构连通支配集合结构健康监测
分类号: TP212.9
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

论文对无线传感器网络的平面拓扑建立方法、层次拓扑建立方法、基于拓扑结构的应用支撑技术进行研究,将通信理论与几何图形学相结合,给出了具体的方法并分析了方法的性能。论文提出了一种解决平面拓扑结构连通性的方法,该方法针对随机部署的无线传感器网络,以概率为工具通过动态规划最优性原理在随机部署的平面拓扑结构上建立最小生成树MST,可以确定最小传输半径MTR、节点数目、连通率三者之间的关系。通过改变边权重的方法用能量有效权重和能量平衡权重代替以距离度量的边权重构造相关能量邻近图拓扑结构,该方法能够有效的降低能量消耗,保持节点之间的能耗均衡,形成了比邻近图几何结构更加优化的拓扑结构。论文提出了一种基于位置信息的全局能耗最优层次拓扑建立方法Ogech, Ogech通过在合适的位置通过截断距离选择簇头节点进而成簇,有效降低了无线传感器网络的能量消耗,借助Voronoi图的工具计算全局能耗,以全局能耗最优为约束条件选择出最优数量簇头节点,再通过创建簇头节点的Voronoi图成簇,形成全局能耗最优的层次拓扑结构。论文提出了一种基于连通支配集合的层次拓扑建立方法HTCACDS,该方法有集中式和分布式两种模式。在节点传输范围受限的情况下,节点传输范围无法覆盖整个无线传感器网络,通过启发式的方法生成一个连通支配集合CDS,再通过修剪形成更加优化的CDS,该CDS能够覆盖并且支配整个网络,因此可以在大多数时间内关闭其它非CDS中的节点。论文同时设计了基于CDS的优化路径路由协议OPRPCDS。论文对执行HTCACDS方法后形成的集合性质、区域内完全覆盖所需最小节点数目、CDS的维护方法以及影响CDS节点数目的因素等进行分析。通过分析得到了执行HTCACDS方法后所生成的CDS的性质。得到了在给定节点部署区域与节点通信半径的情况下,能够完全覆盖网络的最小节点数目。通过仿真分析各种CDS维护方法在网络运行中的性能,得到最适合的CDS维护方法进而给出CDS中关键节点失效的处理方法TMAKNF。通过仿真分析了在一定的条件下,影响连通支配集合CDS节点数目的因素。论文将研究转化为具体的应用,在国家自然科学基金应用于桥梁结构健康监测中的无线传感器网络关键技术研究的框架下设计并且部署了无线传感器网络桥梁结构健康监测系统。论文给出了系统的总体设计。针对传感器的微弱信号采集,设计了相应的数据采集系统。设计了高精度的基于CDS拓扑结构的时钟同步协议HPTSPCDS。针对桥梁结构的特点,设计了直接传输与间接传输相结合的拓扑控制方法,达到了能耗平衡的效果,可以有效的延长网络的生命周期。最后实现了桥梁结构健康监测系统并且部署于桥梁上。论文将研究成果应用于无线传感器网络桥梁结构健康监测系统并取得了良好的效果。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-8
目录  8-11
1 绪论  11-20
  1.1 研究背景和意义  11-14
  1.2 研究内容和目标  14-15
  1.3 国内外研究现状  15-18
  1.4 论文结构  18-20
2 基于相关能量邻近图的平面拓扑建立方法  20-45
  2.1 引言  20
  2.2 连通性问题的提出  20-23
  2.3 基于概率的MTR确定方法  23-26
  2.4 基于几何邻近图的平面拓扑建立方法分析  26-31
  2.5 能量权重的定义  31-35
  2.6 基于相关能量邻近图的拓扑建立方法  35-39
  2.7 基于相关能量邻近图的拓扑建立方法分析与仿真  39-44
  2.8 本章小结  44-45
3 基于位置信息的全局能耗最优层次拓扑建立方法  45-70
  3.1 引言  45
  3.2 无线传感器网络的拓扑结构  45-47
  3.3 簇状层次拓扑建立方法的分析与模型的建立  47-50
  3.4 基于位置信息的全局能耗最优层次拓扑建立方法-OGECH  50-54
  3.5 最优全局能量消耗的分析  54-57
  3.6 仿真验证  57-60
  3.7 拓扑维护  60-65
  3.8 性能对比  65-69
  3.9 本章小结  69-70
4 基于连通支配集合的层次拓扑建立方法  70-99
  4.1 引言  70
  4.2 连通支配集合及连通支配集合构造方法基础  70-73
  4.3 连通支配集合构造方法的分析与模型的建立  73-77
  4.4 基于连通支配集合的层次拓扑建立方法-HTCACDS  77-88
  4.5 性能对比  88-90
  4.6 基于连通支配集合的优化路径路由协议-OPRPCDS  90-95
  4.7 路由协议OPRPCDS仿真  95-98
  4.8 本章小结  98-99
5 连通支配集合构造方法分析  99-123
  5.1 引言  99
  5.2 性质分析  99-103
  5.3 覆盖条件分析  103-108
  5.4 连通支配集合节点数目分析  108-110
  5.5 仿真分析  110-117
  5.6 连通支配集合维护方法分析  117-122
  5.7 本章小结  122-123
6 桥梁结构健康监测中基于拓扑结构的关键技术研究  123-149
  6.1 引言  123
  6.2 系统总体设计  123-129
  6.3 数据采集系统设计  129-132
  6.4 基于拓扑结构的时钟同步协议设计  132-139
  6.5 基于连通支配集合拓扑结构的混合拓扑控制策略  139-143
  6.6 系统实现与部署测试  143-148
  6.7 本章小结  148-149
7 总结与展望  149-152
  7.1 全文总结  149
  7.2 创新点  149-150
  7.3 研究展望  150-152
致谢  152-153
参考文献  153-170
附录A 攻读博士学位期间发表的论文目录  170-172
附录B 发表的学术论文与博士学位论文的关系  172-173
附录C 攻读博士学位期间参与的科研课题和发明专利  173
  参与科研课题  173
  发明专利  173

无线传感器网络拓扑建立方法与应用技术研究

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