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1、硕 士 学 位 论 文基于分簇的无线传感器网络拓扑维护算法研究Research of Topology Maintenance Algorithm for Wireless Sensor Network Based on Clustering 二零一三年四月分类号： UDC： 密 级：公开 保密年限： 年基于分簇的无线传感器网络拓扑维护算法研究Research of Topology Maintenance Algorithm for Wireless Sensor Network Based on Clustering学科门类： 学科专业： 论文作者： 指导教师： 培养单位： V声明原创性声
2、明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名：签字日期： 年 月 日关于论文使用授权的说明学位论文作者完全了解XX有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属XX大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它
3、复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后遵守此规定）学位论文作者签名：签字日期： 年 月 日导 师 签 名： 签字日期： 年 月 日摘要摘要无线传感器网络（WSN，wireless sensor network）是由众多能量有限的无线传感器节点组成的，通过节点感知和采集监测范围内的相关目标信息，用无线通信方式发送和接收数据、自适应的网络系统。拓扑控制技术(topology control technology)是无线传感器网络的重要支撑技术和研究领域的热点、难点。拓扑控制的主要目的是优化网络性能，减少节点能耗，延长网络生命期，同时具有保证连通度和覆盖度、减少通信干扰、提高通信效率以
4、及增强网络的健壮性等作用。传统的拓扑控制算法主要考虑到拓扑构建阶段的拓扑，较少考虑到拓扑维护阶段的拓扑控制问题，即节点发生异变后，整个网络体系是否能够依照原拓扑控制算法继续工作。本文主要考虑的就是无线传感器网络拓扑维护阶段的拓扑控制算法在簇头节点失效之后，如何维护网络性能以及恢复通信，延长系统生存时间。根据GAF（Geographical Adaptive Fidelity）算法提出了一种基于同心圆的环分象限空间的簇头拓扑维护算法。该算法是按照同心圆和象限空间的方法划分出的环弧空间。假设网络的初始拓扑构建完成，所有节点都被分簇并且有簇头，然后所有簇头按照同心圆和区域象限的方法划分的网格环，寻找
5、汇聚节点方向上的离自己最近的簇头节点。若某簇的簇头节点失效，则此簇内的节点就近按照环弧空间划分的情况就近加入刚才已找到的簇头。该算法维护了原有的网络属性，保证了簇头节点与汇聚节点的连通性，延长了网络的生存时间。 又根据簇头节点与汇聚节点之间多跳中继转发数据的思想，提出了一种基于信息路径多跳中继转发的簇头拓扑维护算法。该算法基于路径距离模型和能量消耗模型，通过簇头节点与汇聚节点通信时数据转发的最佳跳数的转发，使数据通信消耗的能量最低，从而减少了节点能耗，具有较好的能量有效性。关键词：无线传感器网络；拓扑控制技术；分簇；能量有效；拓扑维护 AbstractAbstractWireless sens
6、or networks (WSN) is composed of numerous energy-limited wireless sensor nodes by node-aware and acquisition monitoring within the relevant target information.Topology control is an important technique used in WSN to achieve energy conservation and extend network lifetime without affecting important
7、 network performance such as connectivity and throughput. The main purpose of topology control is to optimize network performance, reduce energy consumption of nodes, to delay network life cycle, and ensure network connectivity and coverage reduce communications interference between the nodes. The i
8、dea of topology control is to grant sensor nodes a sense of control over certain parameters such that these parameters can be manipulated in a way that benefit the network. In particular, sensor nodes have the capacity to adjust the transmission range of their radio, switch to the various modes of o
9、peration or even decide on the eligibility of the nodes joining the network backbone. These features are the parameters that are exploited in enforcing a reduced topology to achieve energy saving and prolong network lifetime.Firstly, we proposed a topology maintenance algorithm based on space which
10、divided by concentric circles and quadrant. The idea of the algorithm from the GAF algorithm. Assume that the initial network topology had built, then all nodes could find its sector_id and circle_id in the network by concentric circles and quadrant. when a cluster head node have failure, the nodes
11、in this cluster would joined the other cluster head in accordance with the algorithm that its sector_id and circle_id is nearest from the failure node, and in this way ,the network avoid the bad influence brought by the node death. The algorithm maintained the original properties of the network, ens
12、ured the connectivity between cluster head node and sink node, extended the survival time of the network.According to the energy consumption model, we try to find a energy consumption minimum path between the clusterheads and sink node which take into account the data relay forwarding hops. So we pr
13、oposed an algorithm to realize the topology maintenance when a cluster head being dead or elected based on the nodes remain energy and distance between the cluster head and sink node. Clusterheads can communicate with sink node directly or through multi-hop relaying and forwarding path which minimiz
14、e the energy consumption. Analyzed and simulation results shown that the algorithm could optimize network topology and achieve longer system life time efficiently.Keywords：wireless sensor networks; topology control; clustering; energy efficiency; topology maintenance 目录目 录原创性声明I关于论文使用授权的说明I摘要IIAbstr
15、actIII第1章 绪论11.1 课题的研究背景、目的及意义11.2 课题的研究现状21.3无线传感器网络简介31.3.1 无线传感器网络体系31.3.2 无线传感器网络的重要技术51.3.3 无线传感器网络在云南省跨境区域的应用61.4 论文的主要研究内容7第2章 无线传感器网络拓扑控制技术概述92.1 拓扑控制技术的定义92.2拓扑控制技术的意义92.3 一些拓扑控制算法综述102.3.1 算法简介102.3.2 网络寿命（生存时间）的定义202.4 本章小结21第3章 基于同心圆-象限划分的簇头拓扑维护算法223.1同心圆-象限的数学模型223.2基于同心圆-四象限划分的簇头拓扑维护算法253.2.1算法设计253.2.2算法的实现
