摘要:无线传感器网络(wireless sensor network,简称WSN)是物联网的重要载体,是未来延伸Internet覆盖范围的关键技术,具有广泛的应用价值.由于WSN通信环境的易变性和通信服务的多样性,使得基于单层信息设计的拓扑控制面临新的挑战.利用博弈理论将期望节点度,连通因子和MAC层干扰竞争节点数等跨层信息融入到收益函数中,建立拓扑控制博弈模型,并证明了该模型纳什均衡解的存在性,进而提出了一种能耗均衡的传感器 网络可靠拓扑博弈算法(energy-balanced and reliable topology control game algorithm,简称EBRGA).通过理论分析与仿真验证了其能够保证网络具有连通、可靠性高、收敛速度快、能耗均衡等良好特性.

摘要:数据的存储与查询是无线传感网络(wireless sensor network,简称WSN)研究的重要内容之一,主要解决如何利用WSN极其有限的资源对监测区域内的分布式数据进行有效的管理.现在的传感器节点的感知模块已由单个传感器发展到多个传感器,已有一维数据的存储策略在面对多维数据时不可用或使用后网络能量消耗过大.在K-D树的启发下提出了一种支持多维查询的数据存储策略.它能够有效地将高维相似的数据存储到同一块二维区域中, 在查询时通过对查询条件的解析能快速定位到事件的存储区域,然后将查询条件路由至该区域并取回查询结果,同时该数据存储策略对网络内分组丢失和节点失效的情况具备一定的鲁棒性.在Matlab平台上对该方法进了验证,实验结果表明,与已有方法相比,该方法具有一定的优越性.

摘要:在无线Ad-hoc网络和无线传感器网络中,定位是一个广受关注的重要问题.设计了一个系统,该系统将测量得到的距离信息抽象成为两节点间弹簧的长度,将节点坐标距离与测距距离差抽象成为节点间的力,通过受力分析产生位移向量多次更新节点坐标并最终得出节点的位置.系统使用简单的计算就能得到一个位移向量,然后使用该向量更新坐标.证明了该系统比其他基于力的思想的定位方法收敛更快.系统在测距精度不高的情况下也能得到比无需测距的方法更好的定位效果.

摘要:无线传感器网络一般用于监控传感区域中发生的各种事件;在对立面上,智能移动目标着力于寻找曝光量尽可能低的轨迹来通过传感区域,以免被监测到.针对智能移动目标寻找合适移动轨迹的问题,分析了目前已有的移动轨迹算法的不足,提出了一种通过选择合适前进方向来生成移动轨迹的AFMP(angle first moving path)算法.理论分析与仿真结果表明,AFMP算法无需全局节点信息,对节点的感知半径无同构要求,对节点部署密度和分布有较低的敏感度,特别适用于只知节点局部信息的情况且算法复杂度也低于Voronoi算法和理想网格算法.

摘要:提出了一种基于目标辅助的声阵列网络自定位机制.该自定位机制主要有两种形式:基于静态目标辅助的自定位和移动目标辅助的自定位.对于静态目标辅助的自定位,节点根据所测得DOA,通过伪线性最小二乘法首先由信标节点来定位静态目标,然后再用BML算法由静态目标来定位未知节点;对于移动目标辅助定位,采用BML,PCML和RML这3种算法实现自定位并作对比分析.通过MATLAB仿真可知,静态目标数目的增加有利于定位精度的提高.在信标快速移动情况下,PCML和RML对声音传播延时进行了补偿,有利于提高定位精度.最后再采用实验数据论证了该机制的可行性.

摘要:车载容迟网络中车辆节点频繁移动使得任意节点之间在特定时刻往往不存在一条端到端的通信路径,网络具有间歇连通性和节点移动等特点,以及车辆节点自身携带的时钟振荡器也易受到周围环境因素的影响,晶振频率处于不规则波动的状态,导致车载容迟网络直接引进传统网络中已有的成熟时钟同步算法时会产生很大的局限性和困难性.针对上述问题,提出了一种面向车载容迟网络的二维时钟同步算法,该算法包括纵向维度和横向维度的两个同步过程,与单程同步相比,减少了同步的时间误差,提高了同步精度.实验结果表明,车载容迟网络通过二维时钟同步后能够获得较高的同步精度.

摘要:针对异步睡眠机制增大通信延迟的问题,根据Dual-Radio可并行收发的特点,提出动态调节节点占空比的机制.该机制通过动态地调节节点的占空比,使节点及时唤醒,并且预测链路的冲突状况,减少冲突对数据发送的干扰.模拟实验结果和理论分析表明:提出的解决方案在使用较小能量的同时,有效地减少了通信延迟.

摘要:在无线传感器网络中,由于RSSI(radio signal strength indicator)信息不需要额外的代价就可以在信息的发 送接收过程中获得,所以RSSI被公认是一种非常具有吸引力的定位信息并被研究者大量应用于其定位系统设计中.已有的基于RSSI的定位研究分为基于经验值拟合和基于经验值匹配两类.但这两类方法要么对环境敏感要么扩展性很差,在实际应用中都存在很多限制.其原因在于,RSSI值在实际系统中由于多径反射、天线朝向等因素的影响而具有各向异性的特性,从而导致RSSI值与距离之间的对应关系并不明显.提出了一种基于RSSI拟合经验图的 定位算法.在该方法中,预先采集节点有限个不同方向及这些方向上的有限个不同距离对应的RSSI值.然后,在这些 有限个方向和距离的基础上采用拟合的方法得到一张包含任一方向与距离对应的RSSI值的全向经验图.待定位节点根据当前接收到的来自不同锚节点的RSSI值和该经验图可以求得一个最合适的位置坐标.该方法兼具经验值拟合和经验值匹配两种方法的优点,充分考虑到节点信号传输模型各向异性的影响,同时又具备较好的扩展性,具有很 强的实用价值.最后,通过搭建一个包含14个MICAz节点的实验床验证了该算法的实际应用效果.系统验证结果表明:与基于RSSI的W-Centroid算法相比,该方法在室内环境下的平均定位精度要高出26%左右,在室外环境下要高出大约42%.

摘要:节点高速移动造成网络拓扑频繁变化,使得车载自组网的数据分发充满挑战.研究表明,基于洪泛原理的一类数据分发机制能够可靠有效传输车载自组网中的数据,但没有较好地实现传输成功率、传输时延和消息冗余副本之间的折中.提出一种节点密度自适应的数据分发策略,通过分布式节点密度感知算法,使每个节点快速获知整个网络中热点区域的分布.基于节点与热点间的欧氏距离和节点密度建立跳数限制函数,动态对转发消息进行跳数限制,减少在热点区域的副本复制,有效地降低网络中消息冗余副本数量.仿真实验结果表明,本文方法在传输成功率和时延方面与epidemic协议接近,但冗余消息副本数减少了37.5%,有效地折衷了三者之间的关系.

摘要:为移动的Sink提供随时随地的随意数据获取是无线传感器网络在普适环境中的重要问题.然而,由于Sink与数据源的位置随机性分布特点,导致Sink和数据源之间存在着双盲性.在数据发现中引入随机性和结构化相折衷的思想,使用随机直线行走的消息转发模式;以平面上线与线的几何性质作为指导构建数据的缓存和查询消息的转发路径.给出3种不依赖节点地理位置信息的双盲数据发现方法,并对其性能进行理论分析.通过在ns-2上的大量仿真和理论分析表明,在随机性与结构化之间的折衷能够在不引入较多能耗的同时提供较高的数据发现成功率.

摘要:在无线传感器网络的应用中,位置信息对于监测活动起着极其重要的作用.TDOA(time difference of arrival)是一种得到广泛应用的定位方案,但是对于传统的TDOA算法,使用者需要预先通过在节点间收发数据包执行所有节点的时间同步,这不仅增加了额外的成本,还会因为软件和硬件的延迟带来一些计时误差,这些误差虽然绝对数值较小,但仍然会极大地降低高速信号定位的精度.提出一种新的TDOA定位方法,在需定位的信号源之外添加了一个位置已知并固定的系统信号源来改变TODA值的计算方式,让这个系统信号源在待定位物体发出源信号S之后发出一个与源信号相同的信号S′,然后再使用同一节点接收两个不同的信号S和S′的时间差(time difference of 2 signals,简称TD2S)来计算两个不同节点接收S的时间差,消除了TDOA方法对节点间时间同步的依赖,进而有效地提高了声源的定位精度.最后,在手机上实现了该定位方法,并在三维空间下进行了实验,结果表明,所提方法不仅定位精度较高,而且是一种容易部署、成本低、抗干扰能力较强的方法.

摘要:传统防盗技术存在诸多弊端,无法满足防盗需求.无线传感器网络的常规防盗方式也有着无可避免的局限性.根据无线通信的阴影效应提出一种基于无线传感器网络的防盗技术,通过接收信号强度的变化判断盗贼的入侵.建立了防盗系统的框架,并对其中的关键技术进行研究.通过定义防盗系统的图模型,将代理分配问题抽象为顶点分边问题,并提出B-EPV算法求优化解.设计Blade算法求解k-众数集问题,以获得稳定的RSSI值范围.搭建了真实实验环境,验证了防盗系统的性能.实验结果表明,系统具有较低的误报率和漏报率.

摘要:研究了无线传感器网络中如何最大化网络生存期的协作通信路由算法.假定网络中的节点都能进行协作通信以实现协作分集,提出了一种能够提高网络生存期的协作通信与路由联合算法.首先,考察了如何让协作通信的 节点实现生存期最大化的问题,并给出了MPSK调制方式下的性能分析.根据最大化节点寿命的目标,以及达到传输误码率要求的约束条件,最优化问题决定了哪些节点应该进行协作通信,以及各自分配多大的功率.由于最优化问题是一个NP难的问题,提出了一种分布式的次优算法.仿真结果表明,协作通信不但能够减少节点的发射功率,而且能够使节点间的能量分布更加均匀.在一定的链路误码率约束条件下,与非协作路由的最大化网络生存期算法相比,采用协作通信的最大化网络生存期路由算法能够提高网络生存期2倍以上.

摘要:由于无线传感器网络通信的不稳定性及地理环境的复杂性,传感器节点间经常出现地理位置相近但连通概率却很低的情况.在网络中快速发现通信质量好的节点集以及内部相互联系紧密的子区域,对于传感器网络中的节点分簇、路由优化等具有重要作用.使用不确定图挖掘技术研究如何从一个不确定的无线传感器网络拓扑结构中,快速发现联系紧密且存在概率高的不重叠连通区域问题.提出K-CLOSE算法,首先,使用分布式方法将无线传感 器网络的拓扑结构构建为不确定图;然后,提出一种近似比为2的近似算法来计算紧密阈值;最后,通过构建搜索树并使用剪枝等方法快速发现顶点相互联系紧密且存在概率高的不重叠连通区域.实验结果表明,K-CLOSE算法可以高效地发现无线传感器网络中的紧密连通区域.

摘要:形式地给出了针对无线传感器网络中数据聚合的一种最优调度结构,并利用不同权值的二叉树评估了这个结构的分析过程.实例表明,当网络规模不是很大时,该策略的分析是准确的.在考虑到聚合的情况下,底部边界随着树的规模而成正比增长,当n取值为25时,分析结果与最优折线已经非常接近.但是当网络规模开始大幅度增长时,这种调度策略不再能够保持是最优的.

摘要:当无线传感器网络用于目标检测时,数据融合技术可以有效提高其感知服务质量.基于指数衰减的概率感知模型,分析了数据融合和覆盖性能之间的关系.提出了节点的虚拟半径、融合覆盖的概念,以量化数据融合对网络覆盖性能的改善效果.分析了当节点以正多边形方式进行规则部署时,数据融合对节点密度的影响.在上述理论基础上,设计了一种基于虚拟半径的覆盖算法来调度传感节点,使得目标区域内的每一个点都被传感节点覆盖或者融合覆盖.理论分析表明,虚拟半径内参与融合的传感节点的个数不能超过6,否则数据融合不但不能减小传感节点的部署密度,反而会起相反的作用.实验结果表明,算法能够有效改善传感器网络的覆盖性能,并能有效延长传感器网络的寿命.

摘要:针对于数据报文在节点高速移动和链路部分连通的车载自组织网络中的传输问题,提出一种基于链路感知的路由协议LALO,该协议使用信标探测机制感知报文存储车辆节点周遭链路信息,以此为根据预测传输路径性能并决定报文的转发决策.模拟仿真结果表明,LALO路由协议具有报文成功传输率高,协议控制开销小,传输范围大等优点.

摘要:在无线传感器网络中,为了均衡节点的能量消耗,达到延长网络寿命的目的,轮转控制节点的睡眠调度机制被提出来.控制划分问题是睡眠调度机制的一个抽象,该问题的实质是寻找多个不相交的控制集,通过轮转控制集进行能量有效的睡眠调度.研究解决了2-控制划分问题,基于均匀分簇的方法在单位圆盘图上提出一种具有常数近似比的2-控制划分近似算法DPUC(domatic partition by uniform clustering),其近似比为(δ+1)/4,其中δ为节点的最小度.DPUC算法可以在常数轮的时间内运行,并且可以扩展为k-DP近似算法.同时,该算法解决了Pemmaraju和Pirwani提出的开放问题,即在仅知道节点间连接信息的情况下,是否可以在常数轮的时间内得到一个k-DP近似算法.最后通过仿真验证了算法DPUC的正确性和可行性.

摘要:无线重编程适用于各种应用场景下对传感器节点进行灵活的配置和升级.考虑到无线重编程会带来很大的通信开销和更新开销,提出了一种新的轻量级无线编程方法——EasiLWR.它通过函数级差异对比,计算新老代码中存在的差异代码.在无线传输时,仅传输差异代码,大幅减少了需要传输的代码量,有效降低了通信开销.它利用代码转移将部分需要频繁升级的代码存储在RAM中并加以执行,当进行重编程时,只需要对RAM进行写操作.从而避免了对Flash的写操作,缩短了更新时间,有效降低了更新开销.实验结果表明,与现有无线重编程方法相比,EasiLWR在降低通信开销及更新开销方面优势显著.

摘要:基于无线传感器网络的实时监测应用存在着实时性能保障与节能要求之间的矛盾以及部署成本控制问题,可分别通过节点睡眠调度和受控部署来解决.将原本割裂的节点部署与睡眠调度问题纳入统一的优化框架,权衡考虑网络部署成本、网络寿命和实时性能保障等多项指标.提出了基于NSGA-Ⅱ的联合部署与调度策略,得到满足多项指标的Pareto解,同时全面分析了节点占空比、延迟约束和节点睡眠模式对部署和调度策略的影响.