论文摘要：无线传感器网络中容错拓扑控制的研究与仿真

摘 要随着传感器技术、嵌入式技术以及低功耗无线通信技术的发展，生产具备感应、无线通信和信息处理能力的微型无线传感器节点已经成为可能。这些廉价、低功耗的传感器节点大量部署在观测区域内，采集感兴趣的物理信息，简单处理后将局部处理结果路由至汇聚节点，用户通过管理节点获取全局信息。传感器节点由电池供电，存在能量约束，加之环境影响，可靠性差，整个网络服务质量不可避免地受到影响。并且，多数情况下，为节点二次充电或者部署新节点取代失效节点并不现实。因此，无线传感器网络的节能和容错特性的研究正成为当前热点。 拓扑控制技术是无线传感器网络的重要组成部分，在保证网络一定覆盖度和连通度的前提下，拓扑控制技术通过功率控制和骨干节点选择，形成优化拓扑结构。然而，已有拓扑控制技术过分关注网络的节能效率，忽略了保留应用所需的容错特性。现有拓扑控制技术有的关注缩减骨干网络尺寸到最优，有的关注减少边的数量到最少，生成的拓扑结构往往理论节能优秀而容错能力不佳。容错拓扑控制技术以现有拓扑控制为基础，以节能为本，研究拓扑结构的容错能力。由于同时兼顾了节能和容错两个方面，容错拓扑控制即可以有效延长网络生命期，也可以减少节点失效对网络的影响。 本文以网络状分簇结构为例，分别从簇内的可靠观测和簇间的可靠连通两个方面开展容错拓扑控制技术的研究。主要工作体现在以下几个方面：（1）针对簇内成员的观测半径，研究簇内区域的可靠观测。通过研究节点睡眠、工作的最小覆盖拓扑结构，提出支持可靠观测的可靠覆盖方案。利用具有冗余特性的1-损毁-最小覆盖拓扑结构容忍少量节点失效行为；利用集中管理的簇头快速处理并替换失效覆盖，始终维持可靠观测。理论推导该方案的工作轮数，实验研究影响工作效率的若干因素，并就容错能力和部署问题进行深入探讨。（2）根据簇头节点是否担当路由任务，研究簇间容错骨干网络的构建。理论研究已有生成k连通支配集的k覆盖判定条件，提出构建容错骨干网路的具体方案：实验探讨影响容错骨干网络尺寸的若干因素：并就容错骨干网络的后续维护开展讨论。（3）针对簇头节点的通信半径，提出保持初始拓扑结构k连通性质的集中式功率控制算法，证明其最优性质。探讨该局部算法在k连通支配集中的应用，实验验证其效果。

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