● 摘要
无线传感器网络是一种新颖的信息获取和处理技术，它是由大量的微型传感器节点随机、密集的部署在监测区域内，并以自组织的方式构成多跳网络系统。传感器网络的低功耗信息获取技术和协作式信息处理技术赋予了它广阔的应用前景，并吸引了研究人员的广泛关注。在无线传感器网络的体系结构中，定位方法和拓扑控制是两项关键的支撑技术。由于传感器节点硬件结构简单，能源极其受限，设计能量有效型的算法和协议以延长网络的寿命成为节点定位方法和拓扑控制研究领域的挑战性问题。在多维空间中以较低的成本定位节点、在移动节点定位过程中节省网络能耗以及在优化拓扑结构的同时最大程度的延长网络寿命是亟待研究的重要课题。本论文针对上述课题挑战，对无线传感器网络节点定位和拓扑控制等关键技术进行了深入探索和研究，主要工作内容如下：1.首先从硬件成本、通信开销以及定位精度等3个方面分析了现有节点定位方法在应用到三维空间时的局限性。通过对真实节点进行实验，提出基于接收信号强度RSS在三维空间中判断节点的相对距离。基于以上工作，提出了一种Range-free三维节点定位方法APIT-3D。仿真实验的结果表明，作为一种Range-free定位方法，APIT-3D在定位精度和通信开销方面均具有良好的性能。2.然后，基于对现有休眠调度策略在应用到移动节点定位时的局限性分析，提出了一种基于预唤醒的动态休眠调度机制P-SWIM。通过该机制，目标节点能够有效的维持足够高的锚节点连通度，从而保证了定位的成功率和精度。实验结果表明，移动节点定位方法采用P-SWIM相比于采用休眠调度策略（如RIS和GAF）能够显著的提高定位质量，而且P-SWIM引入的运行能耗也是三种策略中最低的。此外，还在实验中全面的比较了各种休眠调度策略对不同的移动节点定位方法性能的影响，并分析了如何调节休眠调度策略的参数以更好的配合移动节点定位方法。3.之后，针对覆盖控制问题，重点分析了此领域代表性研究工作的特点和局限性。提出了一种判定覆盖冗余节点的充分必要条件，即基于边界覆盖原理的节点休眠资格判定法则ERPC。在此基础上，提出了一种分布式覆盖控制协议CPP：在不牺牲网络覆盖质量的前提下，筛选出冗余节点集合，使它们交替的进入休眠状态以均衡网络能耗分布。CPP协议支持可配置的覆盖度，且具有较低的算法时间复杂度。仿真实验表明，CPP协议在覆盖控制的效率和精度方面均优于已有的代表性工作。4.最后，为了解决连通性覆盖控制问题，本文证明了覆盖确保连通的充分必要条件是节点通讯半径不小于感知半径的2倍，从而给出了解决连通性覆盖控制问题的思路：当通讯半径不小于感知半径的2倍时，连通性覆盖控制问题可以转换为覆盖控制问题；否则，需要结合覆盖控制和连通控制来解决。根据以上思路，提出了一种连通性覆盖控制协议CoNVP。仿真实验表明，无论节点通讯半径与感知半径满足何种关系，CoNVP协议均能提供覆盖和连通的双重质量保证，并显著延长网络的生存时间。