无线网络中保证覆盖连通的节点部署问题研究

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无线网络是当前信息领域中的新研究热点,具有广泛的应用前景。在较受关注的无线网络中,无线传感器网络作为21世纪最具影响力的技术之一,由大量传感器节点组成,通过节点收集、处理和传输来自物理世界的数据,为促进人类生产、改善生活质量提供服务。在无线移动互联网中,WiMAX作为宽带无线接入的新兴技术,使用大量中继节点来覆盖用户并中转信号,为用户提供随时随地高速接入互联网的服务,具有加强信号功率、减少信号衰减的作用,改善了用户所收到的信号质量。节点作为这些无线网络的基本组成部分,其部署方式决定了网络的服务质量。本文旨在设计优化的节点部署方案,提高网络服务质量、降低网络构建成本。主要研究工作包括:(1)在无线传感器网络中,任务区域边界的存在导致“边界效应”,影响网络的覆盖和连通性能。针对此问题,本文首先分析研究边界附近节点的位置关系,然后基于此位置关系提出无边界效应部署算法GRLD,使用较少节点实现对任务区域的完全覆盖和网络连通。理论分析和仿真结果表明,算法GRLD部署的网络能覆盖任意形状区域,满足常用连通覆盖半径比值(rc/rs≥0.54)下的网络连通性。相对于已有的典型确定性部署算法,GRLD能保证对区域的无边界覆盖和网络连通,具有较好的部署效率。(2)在能量受限的传感器网络中,节点的移动能耗约为感知和传输数据能耗的10至100倍。节点的移动将导致节点能耗过大,导致其过快“死亡”,缩短网络生命周期。针对此问题,本文设计移动节点部署算法,在保证目标覆盖和网络连通的同时,降低节点的移动能耗。通过定义最小移动代价的节点部署问题,证明问题难度。接着分别针对特殊场景和一般场景,设计了基于分配问题的扩展匈牙利算法、基于团划分的Basic算法和基于目标Voronoi图的TV-Greedy算法解决覆盖问题。基于最小欧几里得树提出ECST-H算法,解决连通问题。理论分析和模拟结果表明,算法能以较低的时间和空间复杂度,用较少的节点移动代价实现对目标的覆盖和全网连通。(3)在WiMAX网络中,当发送功率和信道数目一定时,用户接入链路的传输速率直接取决于用户到中继的距离。本文研究如何部署较少中继,满足用户到中继距离的要求,从而保证用户的数据速率。通过将该其转化为最少团划分问题,基于用户邻居信息提出启发式算法MAXDCP,接着考虑用户地理位置信息,设计算法GEOCP。理论分析和模拟结果表明,相对于已有算法,算法MAXDCP和GEOCP的时间复杂度低,能使用更少中继保证用户的数据速率要求。(4)在移动WiMAX网络中,用户在固定中继的覆盖区域之间移动,加重了沿途中继站的负载,影响信号中转质量。针对此问题,本文提出最少移动中继部署问题MMRP,使用移动中继作为临时中继,对固定中继进行巡逻,减少固定中继在繁忙时期的负载。通过将MMRP转化为点不相交的最少路径覆盖问题,分别基于图的遍历、最大匹配和最大流思想设计算法。理论分析和模拟结果表明,所提出的算法具有低复杂度,能够以较少移动中继满足对固定中继巡逻的要求,有效缓解WiMAX网络中固定中继的负担。综上所述,本文针对无线网络中节点的部署问题提出了相应的解决方案,对于推进无线网络的研究和实用化具有一定的理论意义和应用价值。
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