基于无标度网络的无线传感器网络拓扑演化模型研究.pdf

高技术通讯2011年第21卷第12期：1219—1225 doi：lO．3772／j．issn．1002JD470．2011．12．00l 基于无标度网络的无线传感器网络拓扑演化模型研究① 郑耿忠②一‘ 刘三阳“‘ 齐小刚”+ 郑 巍’ (‘西安电子科技大学计算机学院 西安710071) (”韩山师范学院数学与信息技术系 潮州521041) (…西安电子科技大学理学院 西安710071) 摘要 针对无线传感器网络抗毁性的问题，从复杂网络的视角提出了两个基于无标度 网络的无线传感器网络拓扑演化模型。这两个演化模型先借助分簇算法实现传感器簇头 的均匀分布，然后按照一定的连接策略，进行簇间的拓扑演化。根据提出的拓扑演化模 型。设计了相应的拓扑演化算法，并对拓扑演化模型的动态特性进行了分析。仿真结果表 明，由于新模型设计考虑了节点剩余能量、节点饱和度等问题，因此演化而成的网络拓扑更 加符合无线传感器网络的实际应用，并且具有很好的抗毁性，进一步提高了网络的鲁棒性。 关键词 无标度网络，无线传感器网络(WSNs)，拓扑演化，动态特性，抗毁性 节点以改变节点通信范围，从而实现无线传感器网 O 引言 络容错的方法。文献[5]针对恶劣环境下传感器节 无线传感器网络在实际应用中一般都需要部署 点的部署问题构造了一个能量有效的容错拓扑，通 大量的传感器节点，由于节点往往工作在恶劣的环 过构建后连通网络，使得即使在部分节点失效的情 境中，并且通常采用能量有限的电池提供能量，因而 况下，．|}重覆盖仍然能保持网络的连通性。文献[6] 很容易因能源耗尽或遭自然界破坏而出现部分节点 利用软件再生方法学设计了一个实用的无线传感器 失效的情况。此外，也可能因遭目的性的破坏而直接 网络抗毁模型。以上研究工作大都集中在通过构造 或间接地导致整个网络的瓦解。因此，如何节省节 七重覆盖网络或增加中继节点等冗余机制来实现无 点能量和提高整个网络的抗毁性则成为无线传感器 线传感器网络的抗毁性，很少有从复杂网络的角度 网络研究的重要课题。 来研究无线传感器网络的抗毁性问题。无标度特性 抗毁性是评价无线传感器网络性能的一个重要 的发现是复杂网络研究中的一大突破，无标度网络 指标，它指在部分节点受到能量、恶劣环境影响及蓄 模型与以前的模型相比更加准确地把握了现实世界 意攻击而失效时，网络保持其绝大部分节点仍然连 中复杂网络的最基本特征，对现实世界中的复杂网 通即网络维持其效能的能力。目前国内外对无线传 络如万维网、因特网等的结构给出了更为恰当的描 感器网络的研究主要集中在路由协议、拓扑控制、定 述J，从而使得对这些网络及其动力学的研究能够 位、覆盖、功率控制等关键技术和一些硬件平台的设 构筑在更为合理的模型之上，也为研究无线传感器 计上…，而对抗毁性的研究还不是很多。文献[2] 网络这种特殊复杂网络的抗毁性提供了一种合理的 提出了一种基于连通和覆盖相结合的无线传感器网 模型。本文利用复杂网络理论，在传统的BA无标 络抗毁模型，当一个区域的节点间不连通时，它可以 度网络模型18J的基础上，提出了两种新的基于无标 通过覆盖邻近区域的主要节点重新获得连通，从而 度网络的拓扑演化模型。与文献[8]的模型不同， 保证网络的连通性。文献[3]研究了如何使用最少 本文所提出的模型在拓扑演化的连接策略上根据无 中继节点保证节点和基站之间的全连通，从而提高 线传感器网络的特点，充分考