拓?fù)淇刂茖W(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1拓?fù)渫負(fù)?tu p)控制控制第一頁，共81頁。2.1 概概述述第1頁/共80頁第二頁，共81頁。無線傳感器節(jié)點是體積微小無線傳感器節(jié)點是體積微小的嵌入式設(shè)備，由能量有限的電的嵌入式設(shè)備，由能量有限的電池供電，其處理能力、存儲能力池供電，其處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱。除了設(shè)計和通信能力相對較弱。除了設(shè)計能量高效的鏈路層協(xié)議、路由協(xié)能量高效的鏈路層協(xié)議、路由協(xié)議和應(yīng)用層協(xié)議外，還要設(shè)計優(yōu)議和應(yīng)用層協(xié)議外，還要設(shè)計優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂茩C(jī)制。由于傳化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂茩C(jī)制。由于傳感器節(jié)點數(shù)量眾多、成本要求低感器節(jié)點數(shù)量眾多、成本要求低廉、分布區(qū)域廣泛，而且部署區(qū)廉、分布區(qū)域廣泛，而且部署區(qū)

2、生成一個高效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)生成一個高效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。第2頁/共80頁第三頁，共81頁。對于自組織的無線傳感器網(wǎng)對于自組織的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，拓?fù)淇刂茖W(wǎng)絡(luò)的性能絡(luò)而言，拓?fù)淇刂茖W(wǎng)絡(luò)的性能影響非常大。良好的邏輯拓?fù)浣Y(jié)影響非常大。良好的邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠提高路由協(xié)議和構(gòu)能夠提高路由協(xié)議和MAC協(xié)議協(xié)議的效率，為數(shù)據(jù)融合、時間同步的效率，為數(shù)據(jù)融合、時間同步和目標(biāo)定位等很多方面奠定基礎(chǔ)，和目標(biāo)定位等很多方面奠定基礎(chǔ)，有利于節(jié)省節(jié)點的能量來延長整有利于節(jié)省節(jié)點的能量來延長整個網(wǎng)絡(luò)的生存時間。所以，拓?fù)鋫€網(wǎng)絡(luò)的生存時間。所以，拓?fù)淠芎模娱L網(wǎng)絡(luò)生存周期。能耗，延長網(wǎng)絡(luò)生存周期。

3、第3頁/共80頁第四頁，共81頁。(2) 減少節(jié)點通信負(fù)載，提減少節(jié)點通信負(fù)載，提高通信效率。傳感器節(jié)點的分布高通信效率。傳感器節(jié)點的分布密度一般較大，通過拓?fù)淇刂萍济芏纫话爿^大，通過拓?fù)淇刂萍夹g(shù)中的功率控制技術(shù)，可以選擇術(shù)中的功率控制技術(shù)，可以選擇節(jié)點的發(fā)射功率，合理調(diào)節(jié)節(jié)點節(jié)點的發(fā)射功率，合理調(diào)節(jié)節(jié)點的通信范圍，使得節(jié)點在連通性的通信范圍，使得節(jié)點在連通性和網(wǎng)絡(luò)通信范圍之間取得一個平和網(wǎng)絡(luò)通信范圍之間取得一個平衡點。衡點。(3) 輔助路由協(xié)議。在無線輔助路由協(xié)議。在無線點這一問題進(jìn)行研究。點這一問題進(jìn)行研究。第4頁/共80頁第五頁，共81頁。(5) 采用冗余節(jié)點。由于傳采用冗余節(jié)點。由于傳

4、感器節(jié)點本身所固有的脆弱性，感器節(jié)點本身所固有的脆弱性，不能保證節(jié)點一直持續(xù)正常的工不能保證節(jié)點一直持續(xù)正常的工作，所以在設(shè)計時需要采用冗余作，所以在設(shè)計時需要采用冗余技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行拓?fù)浼夹g(shù)對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行拓?fù)?tu p)控控制，以保證網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率和連通制，以保證網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率和連通度。度。拓?fù)渫負(fù)?tu p)控制研究的問控制研究的問題是：在保證一定的網(wǎng)絡(luò)連通質(zhì)題是：在保證一定的網(wǎng)絡(luò)連通質(zhì)盡，不同的盡，不同的第5頁/共80頁第六頁，共81頁。傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用關(guān)心不同的物理傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用關(guān)心不同的物理量，不同的應(yīng)用背景對傳感器網(wǎng)量，不同的應(yīng)用背景對傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求也不同，它的硬件平臺、絡(luò)的要求也不同，它的

5、硬件平臺、軟件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議必然會有很軟件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議必然會有很大差別。不同的應(yīng)用對底層網(wǎng)絡(luò)大差別。不同的應(yīng)用對底層網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂圃O(shè)計目標(biāo)的要求也不的拓?fù)淇刂圃O(shè)計目標(biāo)的要求也不盡相同。下面介紹盡相同。下面介紹(jisho)拓?fù)渫負(fù)淇刂浦幸话阋紤]的設(shè)計目標(biāo)?？刂浦幸话阋紤]的設(shè)計目標(biāo)。(1) 覆蓋。覆蓋是對傳感器覆蓋。覆蓋是對傳感器網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的度量，即在保證網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的度量，即在保證蓋的要求實現(xiàn)節(jié)點的重部署。靜蓋的要求實現(xiàn)節(jié)點的重部署。靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)覆蓋將在后面具體介紹態(tài)網(wǎng)絡(luò)覆蓋將在后面具體介紹(jisho)，其中虛擬勢場方法是，其中虛擬勢場方法是一種重要的部署方法。一種重要的部署方法。第6頁

6、/共80頁第七頁，共81頁。(2) 連通。傳感器網(wǎng)絡(luò)的規(guī)連通。傳感器網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模一般很大，所以傳感器節(jié)點感模一般很大，所以傳感器節(jié)點感知到的數(shù)據(jù)一般要以多跳的方式知到的數(shù)據(jù)一般要以多跳的方式傳送到匯聚節(jié)點，這就要求拓?fù)鋫魉偷絽R聚節(jié)點，這就要求拓?fù)淇刂票仨毐ＷC網(wǎng)絡(luò)的連通性。有控制必須保證網(wǎng)絡(luò)的連通性。有些應(yīng)用可能要求網(wǎng)絡(luò)配置達(dá)到指些應(yīng)用可能要求網(wǎng)絡(luò)配置達(dá)到指定的連通度，有時也討論漸近意定的連通度，有時也討論漸近意義下的連通，即當(dāng)部署的區(qū)域趨義下的連通，即當(dāng)部署的區(qū)域趨于無窮大時，網(wǎng)絡(luò)連通的可能性于無窮大時，網(wǎng)絡(luò)連通的可能性直是拓?fù)淇刂蒲芯恐笔峭負(fù)淇刂蒲芯?ynji)的主要的主要目標(biāo)。目標(biāo)。第7頁/

7、共80頁第八頁，共81頁。(4) 吞吐能力。設(shè)目標(biāo)區(qū)域吞吐能力。設(shè)目標(biāo)區(qū)域是一個凸區(qū)域，每個節(jié)點的吞吐是一個凸區(qū)域，每個節(jié)點的吞吐率為率為b/s，在理想情況下，則有，在理想情況下，則有下面的關(guān)系式：下面的關(guān)系式：其中，其中，A是目標(biāo)區(qū)域的面積，是目標(biāo)區(qū)域的面積，W2161AW Lnr(2-1)第8頁/共80頁第九頁，共81頁。(5) 干擾和競爭。減小通信干擾和競爭。減小通信干擾、減少干擾、減少M(fèi)AC層的競爭和延長層的競爭和延長網(wǎng)絡(luò)的生命期，這三者的意義基網(wǎng)絡(luò)的生命期，這三者的意義基本是一致的。對于本是一致的。對于(duy)功率控功率控制而言，網(wǎng)絡(luò)無線信道競爭區(qū)域制而言，網(wǎng)絡(luò)無線信道競爭區(qū)域的大

8、小與節(jié)點的發(fā)射半徑的大小與節(jié)點的發(fā)射半徑r成正成正比，所以減小比，所以減小r就可以減少競爭；就可以減少競爭；第9頁/共80頁第十頁，共81頁。(7) 拓?fù)湫再|(zhì)。對于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫再|(zhì)。對于網(wǎng)絡(luò)(wnglu)拓?fù)涞膬?yōu)劣，很難給拓?fù)涞膬?yōu)劣，很難給出定量的度量。因此，在設(shè)計拓出定量的度量。因此，在設(shè)計拓?fù)淇刂撇呗詴r，往往只是使網(wǎng)絡(luò)撲控制策略時，往往只是使網(wǎng)絡(luò)第10頁/共80頁第十一頁，共81頁。2.2 功功 率率 控控 制制傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點發(fā)射功率的控制傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點發(fā)射功率的控制(kngzh)也稱功率分也稱功率分配問題。節(jié)點通過設(shè)置或動態(tài)調(diào)整節(jié)點的發(fā)射功率，在保證網(wǎng)配問題。節(jié)點通過設(shè)置或動態(tài)調(diào)整節(jié)

9、點的發(fā)射功率，在保證網(wǎng)第11頁/共80頁第十二頁，共81頁。2.2.1 基于節(jié)點度的功率控制基于節(jié)點度的功率控制基于節(jié)點度的算法是傳感器基于節(jié)點度的算法是傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂浦泄β士刂品矫娴木W(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂浦泄β士刂品矫娴膯栴}。一個問題。一個(y )節(jié)點的度數(shù)是節(jié)點的度數(shù)是指所有距離該節(jié)點一跳的鄰居節(jié)指所有距離該節(jié)點一跳的鄰居節(jié)點的數(shù)目?；诠?jié)點度算法的核點的數(shù)目?；诠?jié)點度算法的核心思想是給定節(jié)點度的上限和下心思想是給定節(jié)點度的上限和下限需求，動態(tài)調(diào)整節(jié)點的發(fā)射功限需求，動態(tài)調(diào)整節(jié)點的發(fā)射功率，使得節(jié)點的度數(shù)落在上限和率，使得節(jié)點的度數(shù)落在上限和計算節(jié)點度的策略不同。計算節(jié)點度的策略不同。第12頁

10、/共80頁第十三頁，共81頁。2.2.2 基于方向的功率控制基于方向的功率控制微軟亞洲研究院的微軟亞洲研究院的Wattenhofer和康奈爾大學(xué)的和康奈爾大學(xué)的Li等等人提出了一種能夠保證網(wǎng)絡(luò)連通人提出了一種能夠保證網(wǎng)絡(luò)連通性的基于方向的性的基于方向的CBTC算法。其算法。其基本思想是：節(jié)點選擇基本思想是：節(jié)點選擇(xunz)最小功率最小功率Pu, ，使得在任何以，使得在任何以u第13頁/共80頁第十四頁，共81頁。2.2.3 基于鄰近圖的功率控制基于鄰近圖的功率控制伊利諾斯大學(xué)的伊利諾斯大學(xué)的Li和和Hou提提出的出的DRNG(Directed Relative Neighborhood G

11、raph)和和DLMST(Directed Local Minimum Spanning Tree)是兩個是兩個具有代表性的基于臨近圖理論的具有代表性的基于臨近圖理論的功率控制算法?；谂R近圖的功功率控制算法。基于臨近圖的功率控制算法的基本思想是，設(shè)所率控制算法的基本思想是，設(shè)所撲以后，撲以后，第14頁/共80頁第十五頁，共81頁。還需要進(jìn)行節(jié)點之間邊的增刪，還需要進(jìn)行節(jié)點之間邊的增刪，以使最后得到的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫请p向以使最后得到的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫请p向連通的。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，連通的。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，基于基于(jy)臨近圖功率控制算法的臨近圖功率控制算法的作用是使節(jié)點確定自己的鄰居集作用是使節(jié)點確

12、定自己的鄰居集合，調(diào)整適當(dāng)?shù)陌l(fā)射功率，從而合，調(diào)整適當(dāng)?shù)陌l(fā)射功率，從而在建立一個連通網(wǎng)絡(luò)的同時使得在建立一個連通網(wǎng)絡(luò)的同時使得能量消耗最低。經(jīng)典的臨近圖模能量消耗最低。經(jīng)典的臨近圖模型有型有RNG(Relative Neighborhood Graph)、DRNG算法和算法和DLSS(Directed Local Spanning Subgraph)算法。算法。第15頁/共80頁第十六頁，共81頁。DRNG算法和算法和DLSS算法是算法是兩種從臨近圖觀點考慮拓?fù)鋯栴}兩種從臨近圖觀點考慮拓?fù)鋯栴}的算法，是一種較早提出的功率的算法，是一種較早提出的功率控制算法，兩者均以經(jīng)典的臨近控制算法，兩者均以

13、經(jīng)典的臨近圖圖RNG和和LMST等理論為基礎(chǔ)，等理論為基礎(chǔ)，全面考慮了連通性和雙向連通性全面考慮了連通性和雙向連通性問題。問題。RuNRuNRuG第16頁/共80頁第十七頁，共81頁。1122112211221122112211221122(,)(,)(,)(,)(,)(,)max(),( )max(),()(,)(,)max(),( )max(),()min(),( )min(),()w u vw u vd u vd u vd u vd u vid uid vid uid vd u vd u vid uid vid uid vid uid vid uid v或者且或者且且第17頁/共80頁第

14、十八頁，共81頁。在在DRNG算法和算法和DLSS算法算法中，節(jié)點都需要知道其他一些節(jié)中，節(jié)點都需要知道其他一些節(jié)點的必要信息，因此需要一個信點的必要信息，因此需要一個信息收集階段：每個節(jié)點以最大的息收集階段：每個節(jié)點以最大的發(fā)射功率廣播發(fā)射功率廣播“HELLO”消息，消息，該消息至少包括自身的身份該消息至少包括自身的身份(shn fen)標(biāo)識號標(biāo)識號(ID)和自身位置，和自身位置，RuN第18頁/共80頁第十九頁，共81頁。在在DLSS算法中，假設(shè)節(jié)點算法中，假設(shè)節(jié)點u及其可達(dá)鄰居集合，將及其可達(dá)鄰居集合，將p到所有到所有可達(dá)鄰居節(jié)點的邊以權(quán)重為標(biāo)準(zhǔn)可達(dá)鄰居節(jié)點的邊以權(quán)重為標(biāo)準(zhǔn)按升序排列；依

15、次按升序排列；依次(yc)取出這些取出這些邊，直到邊，直到u與所有可達(dá)鄰居節(jié)點與所有可達(dá)鄰居節(jié)點相連通或者通過其他節(jié)點連通；相連通或者通過其他節(jié)點連通；第19頁/共80頁第二十頁，共81頁。第20頁/共80頁第二十一頁，共81頁。DRNG算法和算法和DLSS算法著算法著重考慮了網(wǎng)絡(luò)的連通性，充分利重考慮了網(wǎng)絡(luò)的連通性，充分利用了鄰居用了鄰居(ln j)圖理論，是無線圖理論，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的經(jīng)典算法，二者傳感器網(wǎng)絡(luò)中的經(jīng)典算法，二者以原始網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆p向連通為前提，以原始網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆p向連通為前提，保證優(yōu)化后的拓?fù)湟彩请p向連通保證優(yōu)化后的拓?fù)湟彩请p向連通第21頁/共80頁第二十二頁，共81頁。2.2

16、.4 XTC算法算法XTC算法的基本思想是用接算法的基本思想是用接收信號的強(qiáng)度作為收信號的強(qiáng)度作為RNG中的距離中的距離度量，度量，XTC算法可分為如下三步。算法可分為如下三步。(1) 鄰居排序：節(jié)點鄰居排序：節(jié)點u對其所對其所uuuuvu第22頁/共80頁第二十三頁，共81頁。(3) 鏈路選擇：節(jié)點按順序鏈路選擇：節(jié)點按順序遍歷，先考慮好鄰居，再考遍歷，先考慮好鄰居，再考慮壞鄰居。對于慮壞鄰居。對于u的鄰居的鄰居v，如果，如果(rgu)節(jié)點節(jié)點u沒有更好的鄰居沒有更好的鄰居，使得，使得，那么，那么u就和就和vuuv第23頁/共80頁第二十四頁，共81頁。2.3 層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制層次型拓?fù)浣Y(jié)

17、構(gòu)控制在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點的無線通信模塊在空閑狀在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點的無線通信模塊在空閑狀態(tài)時的能量消耗與在首發(fā)狀態(tài)時的相當(dāng)，所以只有關(guān)閉節(jié)點態(tài)時的能量消耗與在首發(fā)狀態(tài)時的相當(dāng)，所以只有關(guān)閉節(jié)點第24頁/共80頁第二十五頁，共81頁。算法。骨干網(wǎng)節(jié)點是簇頭節(jié)點，算法。骨干網(wǎng)節(jié)點是簇頭節(jié)點，普通節(jié)點是簇內(nèi)節(jié)點。由于普通節(jié)點是簇內(nèi)節(jié)點。由于(yuy)簇頭節(jié)點需要協(xié)調(diào)簇內(nèi)節(jié)簇頭節(jié)點需要協(xié)調(diào)簇內(nèi)節(jié)點的工作，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的融合和轉(zhuǎn)點的工作，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的融合和轉(zhuǎn)發(fā)，能量消耗相對較大，所以分發(fā)，能量消耗相對較大，所以分簇算法通常采用周期性地選擇簇簇算法通常采用周期性地選擇簇第25頁/共80頁第二十六頁

18、，共81頁。2.3.1 LEACH算法算法LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)算算法是一種自適應(yīng)分簇拓?fù)渌惴?，法是一種自適應(yīng)分簇拓?fù)渌惴ǎ膱?zhí)行過程是周期性的，每輪它的執(zhí)行過程是周期性的，每輪循環(huán)分為簇的建立階段和穩(wěn)定的循環(huán)分為簇的建立階段和穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信階段。在簇的建立階段，數(shù)據(jù)通信階段。在簇的建立階段，第26頁/共80頁第二十七頁，共81頁。LEACH算法選舉簇頭的過算法選舉簇頭的過程如下：節(jié)點產(chǎn)生程如下：節(jié)點產(chǎn)生01之間的隨之間的隨機(jī)數(shù)，如果這個數(shù)小于閾值機(jī)數(shù)，如果這個數(shù)小于閾值T(n)，則發(fā)布自己是簇頭的消息。在每則發(fā)布自己是

19、簇頭的消息。在每輪循環(huán)中，如果節(jié)點已經(jīng)當(dāng)選過輪循環(huán)中，如果節(jié)點已經(jīng)當(dāng)選過簇頭，則把簇頭，則把T(n)設(shè)置設(shè)置(shzh)為為0， ,1 mod(1/)( )0,PnGPrPT n其他(2-2) 第27頁/共80頁第二十八頁，共81頁。Pr第28頁/共80頁第二十九頁，共81頁。經(jīng)過一輪選舉過程，我們可經(jīng)過一輪選舉過程，我們可以看到如圖以看到如圖2-2所示的簇的分布，所示的簇的分布，第29頁/共80頁第三十頁，共81頁。第30頁/共80頁第三十一頁，共81頁。2.3.2 TopDisc算法算法TopDisc(Topology Discovery)算法是基于最小支配算法是基于最小支配集理論的經(jīng)典算

20、法。它首先由初集理論的經(jīng)典算法。它首先由初始節(jié)點發(fā)出拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求，通過始節(jié)點發(fā)出拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求，通過廣播該消息來確定網(wǎng)絡(luò)中的骨干廣播該消息來確定網(wǎng)絡(luò)中的骨干節(jié)點節(jié)點(distinguished nodes)，并結(jié)，并結(jié)第31頁/共80頁第三十二頁，共81頁。在三色法中，節(jié)點可以處于在三色法中，節(jié)點可以處于三種不同的狀態(tài)。在三種不同的狀態(tài)。在TopDisc算算法法(sun f)中，分別用白色、黑中，分別用白色、黑色、灰色表示三種節(jié)點：色、灰色表示三種節(jié)點：(1) 白白色表示尚未被發(fā)現(xiàn)的節(jié)點，或者色表示尚未被發(fā)現(xiàn)的節(jié)點，或者說是沒有接收到任何拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請說是沒有接收到任何拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求的節(jié)點；求的節(jié)點；

21、(2) 黑色表示骨干節(jié)黑色表示骨干節(jié)第32頁/共80頁第三十三頁，共81頁。TopDisc采用兩種啟發(fā)方法采用兩種啟發(fā)方法來使得每個新的黑色節(jié)點都盡可來使得每個新的黑色節(jié)點都盡可能多地覆蓋還沒有被覆蓋的節(jié)點：能多地覆蓋還沒有被覆蓋的節(jié)點：一種是節(jié)點顏色一種是節(jié)點顏色(yns)標(biāo)記方法；標(biāo)記方法；另一種是節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求另一種是節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求時，將會故意延時一段時間，延時，將會故意延時一段時間，延時時間的長度反比于該節(jié)點與發(fā)時時間的長度反比于該節(jié)點與發(fā)第33頁/共80頁第三十四頁，共81頁。(3) 當(dāng)白色節(jié)點收到來自灰當(dāng)白色節(jié)點收到來自灰色節(jié)點的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求時，將在色節(jié)點的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求

22、時，將在等待時間等待時間TWG后標(biāo)記為黑色，但后標(biāo)記為黑色，但如果在等待周期又收到來自黑色如果在等待周期又收到來自黑色節(jié)點的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求則先優(yōu)先標(biāo)節(jié)點的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求則先優(yōu)先標(biāo)第34頁/共80頁第三十五頁，共81頁。為了使得每個新的黑色節(jié)點為了使得每個新的黑色節(jié)點都盡可能多地覆蓋還沒有被覆蓋都盡可能多地覆蓋還沒有被覆蓋的節(jié)點，的節(jié)點，TopDisc采用了反比于采用了反比于節(jié)點之間距離的轉(zhuǎn)發(fā)延時機(jī)制。節(jié)點之間距離的轉(zhuǎn)發(fā)延時機(jī)制。其合理性簡單地解釋為：理想情其合理性簡單地解釋為：理想情況下，節(jié)點的覆蓋范圍是半徑為況下，節(jié)點的覆蓋范圍是半徑為無線電發(fā)射半徑的圓。于是，單無線電發(fā)射半徑的圓。于是，單個的

23、節(jié)點所能覆蓋的節(jié)點數(shù)目正個的節(jié)點所能覆蓋的節(jié)點數(shù)目正比于其覆蓋面積和局部比于其覆蓋面積和局部(jb)的的發(fā)現(xiàn)請求。發(fā)現(xiàn)請求。第35頁/共80頁第三十六頁，共81頁。假設(shè)節(jié)點假設(shè)節(jié)點b比節(jié)點比節(jié)點c距離節(jié)點距離節(jié)點a更更遠(yuǎn)，即節(jié)點遠(yuǎn)，即節(jié)點b的等待時間更短，的等待時間更短，于是節(jié)點于是節(jié)點b先廣播拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求。先廣播拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求。節(jié)點節(jié)點d和節(jié)點和節(jié)點e收到來自節(jié)點收到來自節(jié)點b的的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求，根據(jù)步驟拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求，根據(jù)步驟(3)各自各自等待一段時間，節(jié)點等待一段時間，節(jié)點a已經(jīng)被標(biāo)已經(jīng)被標(biāo)記為黑色，根據(jù)步驟記為黑色，根據(jù)步驟(4)它會忽略它會忽略第36頁/共80頁第三十七頁，共81頁。第37

24、頁/共80頁第三十八頁，共81頁。可以看出，三色法所形成的可以看出，三色法所形成的簇之間存在重疊區(qū)域。為了增大簇之間存在重疊區(qū)域。為了增大簇之間的間隔，減少重疊區(qū)域，簇之間的間隔，減少重疊區(qū)域，TopDisc算法同時也提出了四色算法同時也提出了四色法。顧名思義，節(jié)點可以處于法。顧名思義，節(jié)點可以處于(chy)四種不同的狀態(tài)，分別四種不同的狀態(tài)，分別用白色、黑色、灰色和深灰色表用白色、黑色、灰色和深灰色表示。前三種顏色代表的含義跟三示。前三種顏色代表的含義跟三第38頁/共80頁第三十九頁，共81頁。(1) 初始節(jié)點被標(biāo)記為黑色，初始節(jié)點被標(biāo)記為黑色，并向網(wǎng)絡(luò)廣播拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求。并向網(wǎng)絡(luò)廣播拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)

25、請求。(2) 當(dāng)白色節(jié)點收到來自黑當(dāng)白色節(jié)點收到來自黑色節(jié)點的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求時，將被色節(jié)點的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求時，將被標(biāo)記為灰色，并在延時時間標(biāo)記為灰色，并在延時時間TWB后繼續(xù)廣播拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求。后繼續(xù)廣播拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求。TWB第39頁/共80頁第四十頁，共81頁。(4) 當(dāng)白色節(jié)點收到來自深當(dāng)白色節(jié)點收到來自深灰色節(jié)點的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求時，等灰色節(jié)點的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求時，等待一段時間待一段時間(同樣與距離成反比同樣與距離成反比)。第40頁/共80頁第四十一頁，共81頁。如圖如圖2-4所示，假設(shè)節(jié)點所示，假設(shè)節(jié)點a是是初始節(jié)點，根據(jù)步驟初始節(jié)點，根據(jù)步驟(1)它被標(biāo)記它被標(biāo)記為黑色，并廣播為黑色，并廣播(gun

26、gb)拓?fù)渫負(fù)浒l(fā)現(xiàn)請求。節(jié)點發(fā)現(xiàn)請求。節(jié)點b收到來自節(jié)點收到來自節(jié)點a的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求，根據(jù)步驟的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求，根據(jù)步驟(2)被被標(biāo)記為灰色，并各自等待一段時標(biāo)記為灰色，并各自等待一段時間后廣播間后廣播(gungb)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求。節(jié)點求。節(jié)點c和節(jié)點和節(jié)點e都接收到來自都接收到來自節(jié)點節(jié)點b的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求，根據(jù)步的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求，根據(jù)步驟驟(3)，被標(biāo)記為深灰色，繼續(xù)廣，被標(biāo)記為深灰色，繼續(xù)廣任何來自標(biāo)記為黑色節(jié)點的拓?fù)淙魏蝸碜詷?biāo)記為黑色節(jié)點的拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)請求，則被標(biāo)記為黑色。發(fā)現(xiàn)請求，則被標(biāo)記為黑色。第41頁/共80頁第四十二頁，共81頁。第42頁/共80頁第四十三頁，共81頁。與三色法相

27、比，四色法形成與三色法相比，四色法形成的簇數(shù)目更少，簇與簇之間的重的簇數(shù)目更少，簇與簇之間的重疊區(qū)域也更小。但是可能形成一疊區(qū)域也更小。但是可能形成一些孤立的標(biāo)記為黑色的節(jié)點些孤立的標(biāo)記為黑色的節(jié)點(如如圖圖2-4中的節(jié)點中的節(jié)點e)，不覆蓋任何灰，不覆蓋任何灰色節(jié)點。雖然三色法和四色法所色節(jié)點。雖然三色法和四色法所形成的黑色節(jié)點數(shù)目相當(dāng)，但四形成的黑色節(jié)點數(shù)目相當(dāng)，但四第43頁/共80頁第四十四頁，共81頁。2.3.3 GAT算法算法GAT算法是一種算法是一種(y zhn)依據(jù)節(jié)點的地理位置進(jìn)行分簇，依據(jù)節(jié)點的地理位置進(jìn)行分簇，并對簇內(nèi)的節(jié)點選擇性地進(jìn)行休并對簇內(nèi)的節(jié)點選擇性地進(jìn)行休眠的路由

28、算法。其核心思想是：眠的路由算法。其核心思想是：在各數(shù)據(jù)源到數(shù)據(jù)目的地之間存在各數(shù)據(jù)源到數(shù)據(jù)目的地之間存在有效通路的前提下，盡量減少在有效通路的前提下，盡量減少第44頁/共80頁第四十五頁，共81頁。GAT算法通常分為兩個階段：算法通常分為兩個階段：第一階段為虛擬單元格的劃第一階段為虛擬單元格的劃分。節(jié)點根據(jù)其位置信息和通信分。節(jié)點根據(jù)其位置信息和通信半徑將網(wǎng)絡(luò)區(qū)域劃分為若干個虛半徑將網(wǎng)絡(luò)區(qū)域劃分為若干個虛擬單元格，并保證相鄰單元格中擬單元格，并保證相鄰單元格中的任意兩個節(jié)點都可以直接通信，的任意兩個節(jié)點都可以直接通信，假設(shè)節(jié)點已知整個監(jiān)測區(qū)域的位假設(shè)節(jié)點已知整個監(jiān)測區(qū)域的位置信息和本身的位置

29、信息，節(jié)點置信息和本身的位置信息，節(jié)點節(jié)點通過發(fā)送節(jié)點通過發(fā)送第45頁/共80頁第四十六頁，共81頁。廣播消息通告廣播消息通告(tnggo)自己的位自己的位置和置和ID等信息，然后每個節(jié)點將等信息，然后每個節(jié)點將自身的定時器設(shè)置為某個區(qū)間內(nèi)自身的定時器設(shè)置為某個區(qū)間內(nèi)的隨機(jī)值的隨機(jī)值Td，一旦定時器超時，一旦定時器超時，節(jié)點發(fā)送消息聲明其進(jìn)入活動狀節(jié)點發(fā)送消息聲明其進(jìn)入活動狀態(tài)，成為簇頭。節(jié)點如果在定時態(tài)，成為簇頭。節(jié)點如果在定時器超時前收到來自同一單元格內(nèi)器超時前收到來自同一單元格內(nèi)其他節(jié)點成為簇頭的聲明，則說其他節(jié)點成為簇頭的聲明，則說狀態(tài)。狀態(tài)。第46頁/共80頁第四十七頁，共81頁。由

30、于節(jié)點處于偵聽狀態(tài)時也由于節(jié)點處于偵聽狀態(tài)時也會消耗很多熱量，所以讓節(jié)點處會消耗很多熱量，所以讓節(jié)點處于休眠狀態(tài)成為傳感器拓?fù)淇刂朴谛菝郀顟B(tài)成為傳感器拓?fù)淇刂扑惴ㄖ谐Ｒ姷姆椒?，算法中常見的方法，GAF算法的算法的優(yōu)點是在節(jié)點密集型分布的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)點是在節(jié)點密集型分布的網(wǎng)絡(luò)第47頁/共80頁第四十八頁，共81頁。2.4 啟啟 發(fā)發(fā) 機(jī)機(jī) 制制傳感器網(wǎng)絡(luò)通常是面向應(yīng)用事件驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)，骨干網(wǎng)節(jié)點在沒有檢測到事件傳感器網(wǎng)絡(luò)通常是面向應(yīng)用事件驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)，骨干網(wǎng)節(jié)點在沒有檢測到事件第48頁/共80頁第四十九頁，共81頁。2.4.1 STEM算法算法STEM(Sparse Topology and Energy

31、 Management)算法是一種算法是一種低占空比的節(jié)點喚醒機(jī)制。該算低占空比的節(jié)點喚醒機(jī)制。該算法采用雙信道，即監(jiān)聽信道和數(shù)法采用雙信道，即監(jiān)聽信道和數(shù)據(jù)通信信道。具體地講，據(jù)通信信道。具體地講，STEM算法又分為算法又分為STEM-B(STEM-第49頁/共80頁第五十頁，共81頁。在在STEM-T算法中，節(jié)點周算法中，節(jié)點周期性地進(jìn)入偵聽期性地進(jìn)入偵聽(zhn tn)階段，階段，探測是否有鄰居節(jié)點要發(fā)送數(shù)據(jù)；探測是否有鄰居節(jié)點要發(fā)送數(shù)據(jù)；當(dāng)一個節(jié)點想要與某個鄰居節(jié)點當(dāng)一個節(jié)點想要與某個鄰居節(jié)點進(jìn)行通信時，它就發(fā)送一連串的進(jìn)行通信時，它就發(fā)送一連串的喚醒包，發(fā)送喚醒包的時間長度喚醒包，發(fā)

32、送喚醒包的時間長度必須大于偵聽必須大于偵聽(zhn tn)的時間的時間間隔，以確保鄰居節(jié)點能夠收到間隔，以確保鄰居節(jié)點能夠收到第50頁/共80頁第五十一頁，共81頁。2.4.2 ASCENT算法算法ASCENT(Adaptive Self-Configuring sEnsor Networks Topologies)算法著重于均衡網(wǎng)絡(luò)算法著重于均衡網(wǎng)絡(luò)中骨干節(jié)點的數(shù)量中骨干節(jié)點的數(shù)量(shling)，并，并第51頁/共80頁第五十二頁，共81頁。運(yùn)行運(yùn)行ASCENT算法的網(wǎng)絡(luò)包算法的網(wǎng)絡(luò)包括觸發(fā)、建立和穩(wěn)定三個主要階括觸發(fā)、建立和穩(wěn)定三個主要階段。觸發(fā)階段如圖段。觸發(fā)階段如圖2-5(a)所示，

33、所示，在匯聚節(jié)點與數(shù)據(jù)源節(jié)點不能正在匯聚節(jié)點與數(shù)據(jù)源節(jié)點不能正常通信時，匯聚節(jié)點向它的鄰居常通信時，匯聚節(jié)點向它的鄰居節(jié)點發(fā)出求助信息；建立階段如節(jié)點發(fā)出求助信息；建立階段如圖圖2-5(b)所示，當(dāng)節(jié)點收到鄰居所示，當(dāng)節(jié)點收到鄰居第52頁/共80頁第五十三頁，共81頁。第53頁/共80頁第五十四頁，共81頁。ASCENT算法使得網(wǎng)絡(luò)可以算法使得網(wǎng)絡(luò)可以隨具體應(yīng)用要求而動態(tài)地改變拓隨具體應(yīng)用要求而動態(tài)地改變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并且節(jié)點只根據(jù)本地的撲結(jié)構(gòu)，并且節(jié)點只根據(jù)本地的第54頁/共80頁第五十五頁，共81頁。2.5 傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋控制傳感器網(wǎng)絡(luò)的覆蓋控制覆蓋是對傳感器網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的度量，即在保證一定

34、的服務(wù)覆蓋是對傳感器網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的度量，即在保證一定的服務(wù)質(zhì)量條件下，使得網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍最大化，提供可靠的區(qū)域監(jiān)測和質(zhì)量條件下，使得網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍最大化，提供可靠的區(qū)域監(jiān)測和第55頁/共80頁第五十六頁，共81頁。2.5.1 基于虛擬勢場力的傳感器基于虛擬勢場力的傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)域覆蓋控制網(wǎng)絡(luò)區(qū)域覆蓋控制虛擬勢場力是把網(wǎng)絡(luò)中每一虛擬勢場力是把網(wǎng)絡(luò)中每一個移動節(jié)點看做一個虛擬的帶電個移動節(jié)點看做一個虛擬的帶電粒子，相鄰粒子，相鄰(xin ln)節(jié)點之間節(jié)點之間同時存在排斥力和吸引力兩種相同時存在排斥力和吸引力兩種相互作用力。由于受勢場斥力的作互作用力。由于受勢場斥力的作第56頁/共80頁第五十七頁，共8

35、1頁。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)布局在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)布局(bj)優(yōu)化過程中，各無線傳感器節(jié)點優(yōu)化過程中，各無線傳感器節(jié)點根據(jù)其所受合力的大小和方向移根據(jù)其所受合力的大小和方向移動相應(yīng)距離，直至達(dá)到受力平衡動相應(yīng)距離，直至達(dá)到受力平衡iFijFiRFiAF1, kiijiRiAjj iFFFF(2-3)第57頁/共80頁第五十八頁，共81頁。式中為無線傳感器節(jié)點間的式中為無線傳感器節(jié)點間的相互作用力，既有引力，也有斥相互作用力，既有引力，也有斥力。虛擬勢場力算法采用距離閾力。虛擬勢場力算法采用距離閾ijFththththth0,(), ),0,11, ,ijAijijijijijRijijijdCkddC

36、ddddFkdddd(2-4) 第58頁/共80頁第五十九頁，共81頁。式中為傳感器節(jié)點式中為傳感器節(jié)點si、sj之之間的虛擬勢場力；間的虛擬勢場力；kA、kR分別分別ijFij第59頁/共80頁第六十頁，共81頁。考慮到節(jié)點從受力到運(yùn)動為考慮到節(jié)點從受力到運(yùn)動為一個加速過程，故節(jié)點受力后在一個加速過程，故節(jié)點受力后在x軸和軸和y軸上的位移分別為軸上的位移分別為max2max,1,2xxxxxxxxvtvvsvtatvv max2max,1,2yyyyyyyyvtvvsvtatvv (2-5) (2-6) 第60頁/共80頁第六十一頁，共81頁。根據(jù)公式根據(jù)公式(2-5)、公式、公式(2-6)

37、可可得節(jié)點在得節(jié)點在x、y軸的遷移位置分別軸的遷移位置分別為為oldthnewoldth,xyxxyxFFxxsFFoldthnewoldth,xyyxyyFFyysFF(2-7) (2-8) 第61頁/共80頁第六十二頁，共81頁。圖圖2-6(a)和圖和圖2-6(b)分別為利分別為利用虛擬力對用虛擬力對10個和個和70個傳感器節(jié)個傳感器節(jié)點進(jìn)行覆蓋控制的仿真圖，從仿點進(jìn)行覆蓋控制的仿真圖，從仿真圖可以看出，節(jié)點很好地部署真圖可以看出，節(jié)點很好地部署在監(jiān)測區(qū)域中，使得網(wǎng)絡(luò)在監(jiān)測區(qū)域中，使得網(wǎng)絡(luò)(wnglu)覆蓋率的增大最大化。覆蓋率的增大最大化。值得注意的是，最終覆蓋率除了值得注意的是，最終覆

38、蓋率除了第62頁/共80頁第六十三頁，共81頁。第63頁/共80頁第六十四頁，共81頁。2.5.2 基于市場競爭行為的無線基于市場競爭行為的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)連接與覆蓋算法傳感器網(wǎng)絡(luò)連接與覆蓋算法節(jié)點部署受環(huán)境影響，有時節(jié)點部署受環(huán)境影響，有時因為節(jié)點部署不慎，可能導(dǎo)致部因為節(jié)點部署不慎，可能導(dǎo)致部分節(jié)點喪失行動能力，而它的傳分節(jié)點喪失行動能力，而它的傳感與通信功能仍然保持正常。在感與通信功能仍然保持正常。在自組織的時候，如果不考慮這些自組織的時候，如果不考慮這些節(jié)點，顯然會造成浪費(fèi)；如果考節(jié)點，顯然會造成浪費(fèi)；如果考慮這些節(jié)點，則只能采用帶約束慮這些節(jié)點，則只能采用帶約束中間的未覆蓋區(qū)域。中間的

39、未覆蓋區(qū)域。第64頁/共80頁第六十五頁，共81頁。第65頁/共80頁第六十六頁，共81頁?；谑袌龈偁幮袨榈臒o線傳基于市場競爭行為的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)連接與覆蓋算法就是通感器網(wǎng)絡(luò)連接與覆蓋算法就是通過過(tnggu)研究人類社會的市場研究人類社會的市場競爭行為，提出地用于無線傳感競爭行為，提出地用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)連接與覆蓋問題的控制算器網(wǎng)絡(luò)連接與覆蓋問題的控制算法。該方法把傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)法。該方法把傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點類比為市場競爭中的經(jīng)濟(jì)主體，點類比為市場競爭中的經(jīng)濟(jì)主體，第66頁/共80頁第六十七頁，共81頁。網(wǎng)絡(luò)采用簇結(jié)構(gòu)，簇內(nèi)任意網(wǎng)絡(luò)采用簇結(jié)構(gòu)，簇內(nèi)任意兩個節(jié)點均可以通過多跳的方式兩個節(jié)

40、點均可以通過多跳的方式進(jìn)行通信，而簇間不能通信。對進(jìn)行通信，而簇間不能通信。對于每一個獨(dú)立的簇，其配置過程于每一個獨(dú)立的簇，其配置過程可分為三步進(jìn)行：可分為三步進(jìn)行：(1) 實現(xiàn)動、靜態(tài)的分離。實現(xiàn)動、靜態(tài)的分離。靜態(tài)傳感器雖然不能移動，但其靜態(tài)傳感器雖然不能移動，但其用于感測與通信的能量高于動態(tài)用于感測與通信的能量高于動態(tài)。第67頁/共80頁第六十八頁，共81頁。(2) 簇的內(nèi)部調(diào)整。我們知簇的內(nèi)部調(diào)整。我們知道在資源有限的情況下，大型企道在資源有限的情況下，大型企業(yè)依靠其規(guī)模優(yōu)勢，總是能夠優(yōu)業(yè)依靠其規(guī)模優(yōu)勢，總是能夠優(yōu)先占有部分資源，其不能占有的先占有部分資源，其不能占有的資源將在小型企業(yè)間通過競爭得資源將在小型企業(yè)間通過競爭得第68頁/共80頁第六十九頁，共81頁。圖圖2-8(a)演示了這樣一個過演示了這樣一個過程，程，S1、S2、S3、S4、S5、S6表表示靜態(tài)傳感器，它們的感測范圍示靜態(tài)傳感器，它們的感測范圍用實線的圓表示，用實線的圓表示，M1、M2、M3、M4、M5、M6表示可移動傳感器，表示可移動傳感器，它們的感測范圍用虛線的圓表示。它們的感測范圍用虛線的圓表示。M1被優(yōu)化配置到被優(yōu)化配置到M1，其感測范，其感測范第69頁/共80頁第七十頁，共81頁。第70頁/共8