● 摘要
无线传感器网络是近年的热点研究领域。作为一种无处不在的“嵌入式”网络，无线传感器网络具有广阔的应用空间。由于无线传感器网络经常工作在环境复杂、缺乏维护的条件下，且其能量、通信、存储和计算等各种资源都十分有限，因此实用无线传感器网络要求具有可靠的工作能力。构造可靠无线传感器网络的研究成为这一领域的重要研究课题。由于无线传感器网络的结构和运行状况等都与具体应用场景有着密切联系，本文从应用角度出发，研究构造可靠无线传感器网络的技术与方法，具体研究围绕网络节点能源条件、网络节点数据存储能力和网络节点间连通状况三个影响网络可靠工作能力的重要因素进行。与传统的仅研究单个因素设计可靠网络的思路不同，本文采用综合权衡多个影响因素的方式构造可靠无线传感器网络。具体研究内容和成果包括：1. 断开容忍网络可靠存储技术的评估方法研究。断开容忍网络(disconnection tolerant network)是工作在与基站脱离的情况下的无线传感器网络。这类网络以非实时的数据采集为主要任务。这类网络的可靠数据存储研究的核心问题是如何利用网络存储空间，减少数据丢失。由于网络可靠存储技术的性能与具体应用场景紧密相关，因此无法通过统一的性能标准进行衡量。为了评估断开容忍网络可靠存储技术，本文提出一种比较式的评估方法，即为被评估技术提供一个参照应用场景的理想性能上限，通过比较二者的差距来评估性能。本文选择代表性的算法：EnviroStore网内数据再分配算法为评估对象。为了获得用于评估的性能上限，本文提出了一个全局最优化的数据再分配算法，该算法能够在最大化地利用存储空间的同时使系统的能量消耗最小化。本文以此算法作为参照性能上限，设计多种评估场景，搭建一个基于TinyOS的评估平台，对EnviroStore网内数据再分配算法进行评估。2. 采用太阳能供能的断开容忍网络的可靠存储技术研究。对于长期工作在户外的断开容忍网络，太阳能是其能够依靠的近乎取之不竭的能源，采用太阳能供能的断开容忍网络成为本文进一步研究的对象。太阳能供能的不稳定性和难预测性给采用它的断开容忍网络的设计带来新的问题。针对太阳能供能的特点，本文提出了一个适应性的功能控制算法以合理利用能源提高系统可靠工作能力。在此基础上，本文设计并开发了一个可靠断开容忍网络存储系统：AdaptSens。AdaptSens结合数据冗余和数据分发两种技术解决网络在节点故障和节点存储溢出情况下的数据丢失问题，通过综合分析节点能源耗尽，节点存储空间耗尽和随机节点故障三种导致数据丢失的因素，达到选择最优的系统运行策略的目的。本文在户外系统和户内实验床上同时对AdaptSens的性能进行了评估。评估结果表明AdaptSens能够使上述三种因素联合导致的数据丢失最小化。3. 大规模无线传感器网络可靠拓扑控制算法研究。最后，本文研究大规模无线传感器网络(包含成千上万甚至百万个节点)的可靠拓扑控制问题。大规模无线传感器网络是无线传感器网络发展的重要方向之一。网络规模的扩张带来新的困难和挑战，主要表现在传输延迟变大，网络连通可靠度降低和节点故障对网络性能的影响变大。本文将复杂网络研究领域的无标度网络特性研究成果引入拓扑控制算法的研究，解决大规模无线传感器网络拓扑控制的问题。本文提出了DGFT算法和AWSF算法。这二者都是基于节点局部位置信息的，启发式的，以追求传输时间效率和容忍随机节点故障为目标的算法。DGFT算法与AWSF算法都能够有效构造无标度网络拓扑结构。评估结果表明这两种算法生成的网络都具有较低的平均节点度，并且在传输延迟和容忍随机节点故障方面具有良好的性能。