基于拓扑重构的无线传感器网络抗毁性优化策略研究

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无线传感器网络是由大量具有信息采集和无线通信等功能的微型传感器节点,通过自组织方式形成的网络。网络中的节点通过相互合作,完成对所在区域环境的监测,数据的收集和传输任务。由于无线传感器网络通常被部署在较为恶劣且无人接触的环境中,单个传感器节点又受到自身能量和通信宽带的限制,所以网络很容易被破坏而不能有效地工作。因此,对无线传感器网络抗毁性优化问题的研究成为了一个非常重要的课题。  本文通过对网络拓扑结构的合理分析,从拓扑重构的角度对网络抗毁性的优化进行了研究,主要包括失效预防和拓扑修复两个方面,并提出了两种提高网络抗毁性的算法:  (1)针对正常运作的无标度网络,提出了一种预防网络失效的拓扑优化算法,以提高网络的抗毁性。算法首先对网络鲁棒又脆弱的拓扑特征进行了分析,然后对网络中的部分链路进行了合理地删除,以均衡节点间的负载,保护网络中相对重要的关键节点不会因超载而失效;同时,为了进一步提高网络抵御外部攻击的抗毁性,算法找取了邻接网络中抗毁性相对较高的节点,采用旅行商问题的思想,构建了邻接网络的环形立交结构,得到了一种链路花费最少的拓扑结构。仿真结果表明,这种拓扑重构算法能够有效地提高网络的传输容量以及网络的抗毁性。  (2)针对被分割的无线传感器网络,提出了一种修复网络连通的抗毁性优化算法。这种算法致力于利用最少的中继节点达到提高网络性能的目的。算法分为两个阶段:第一阶段是网络1-连通拓扑结构的修复。在考虑网络各分区的位置以及相互之间距离的基础上,首先进行网络骨干多边形的构建,然后部署适量的中继节点实现网络各分区的连通,但此时得到的网络拓扑结构并不稳定,网络很可能因某个中继节点的失效而再次造成分割。因此,为进一步提高网络的抗毁性和容错性,算法的第二阶段是对网络的各分区进行2-连通拓扑的构建,即在分区与骨干多边形之间建立第二条不相交路径。
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