移动自组网UL—WMCDS和PLA—CDS两种算法分析

森林火灾的灾后救援是移动自组网重要的应用领域之一。移动自组网中节点移动是网络快速变化的主要原因。快速变化的网络拓扑给移动自组网,尤其是路由设计带来了巨大挑战。基于最小连通支配集算法是一种有效的分层路由算法,它将路由搜索集中在连通支配集内。分析了两种具有代表性的连通支配集算法,分别指出它们的不足之处,并进行了初步验证。     

监测奶牛无线传感器网络的连通支配集构造

基于一个对奶牛行为特征监测的自组织无线传感器网络,构造骨干网以解决节点多跳通信问题,并采用图的连通支配集来实现。提出了一个基于极大独立集的最小连通支配集的分布式构造算法,并证明了该算法的正确性。采用计算机程序仿真的实验结果表明,此算法简单有效、适应于节点移动和网络拓扑变化的环境、且构造的连通支配集占节点的比例为30%左右,有效减少冗余的转发节点,可节省宝贵的网络资源。     

传感器中基于连通支配集的区域覆盖控制算法

针对现有无线传感器网络区域覆盖控制算法很难在确保网络连通率的同时对网络覆盖率和能耗进行优化的问题,本文提出一种基于连通支配集的区域覆盖控制(area coverage control based on connected dominating set,ACCBCDS)算法。当节点随机分布于监测区域后,未连通的节点移向Sink节点直至网络实现全连通,之后利用三着色算法构建网络连通支配集,Sink节点对非连通支配节点进行集中式优化调整,让非连通支配节点移至更优位置。在优化调整的过程中同时考虑了网络连通率、覆盖率和节点移动距离。仿真结果表明,与典型的基于虚拟力的区域覆盖控制(area coverage control based on virtual forces,ACCBVF)算法相比较,本文提出的ACCBCDS算法能使网络在确保全连通的前提下获得更高覆盖率,并能减少网络覆盖控制中的移动能耗。     

基于免疫粒子群的最小连通支配集求解算法

为解决复杂网络最小连通支配集(MCDS)求解算法复杂度高、速度慢及解的精确度差等问题,采用一种免疫粒子群优化(IPSO)算法进行求解.该算法将连通支配集的支配规则转化为基于邻接矩阵的并集约束,并结合图连通分支约束设计优化目标,采用二进制粒子群算法对MCDS进行求解.在求解过程中引入免疫机制,依据网络关键节点与支配节点之间的重叠关系,设置抗原因子,指导粒子群搜索方向、加快算法收敛速度.在随机网络上的仿真实验表明:相较于传统算法,所提算法能够找出网络的MCDS,并且在保证解精度的前提下提高了求解速度.     

无线网络连通支配集分布式构造

针对在无线网络中构造连通支配集问题,提出了一种基于圆盘图模型构造连通支配集的分布式算法PS-CDS,算法分为2部分,首先由PS-CDS-1算法构造极大独立集,然后通过PS-CDS-2算法向极大独立集中添加连通节点得到连通支配集.所提出的算法包括功率分配方案,选择能完成邻域广播的最小发送功率.算法的时间复杂度为O(n),消息复杂度为O(nm),近似比为R■/R■(2opt+1)-2.将PS-CDS算法与其他连通支配集算法进行实验比较,结果表明PS-CDS算法所生成的连通支配集规模最小.     

面向FANET的N-UCDS虚拟骨干网构建方法

大规模小型无人机通信网络会出现频繁的链路失效，因此有效的拓扑控制是当前飞行自组网的研究热点。为了符合大规模无人机任务多样性的场景，提出一种随机路径点-飞行信息预测移动模型，无人机节点可以通过邻居节点的飞行信息对链路持续时间进行预测。在此基础上，提出一种新的统一连通支配集（new unifying connected dominating set，N-UCDS）算法，与UCDS算法相比，N-UCDS算法改进了连通支配集成员的选取方式、虚拟骨干网的构建和维护机制、支配因子的计算方法和HELLO报文发送间隔。仿真结果表明，该方法的算法鲁棒性有较大提升，网络构建和维护时间均减少了一个周期，网络生存时间提升了5%，HELLO报文开销随节点最大通信半径的增大而减小。     

基于自适应拓扑变化的无线传感器网络路由协议

在无线传感器网络设计中,为节约系统能量、延长网络寿命,提出了基于自适应拓扑变化(SAT)的路由协议.该协议的路由搜索主要集中在生成的连通支配集内,网络中各节点维护简单的路由信息表.当网络中少数节点发生变化时,只需个别相关节点更新它们的状态,不需要网络中所有节点重新计算连通支配集.考虑到网络内传感器节点能量分布均衡,各节点可以轮换充当支配点,支配点的数据融合可以大大减少传输信息的数量.仿真结果表明,与LEACH协议相比,SAT路由协议明显均衡了各节点的能量消耗,有效地延长了网络寿命.     

基于串行最大独立集的连通支配集构造及分析

针对传感器网络最大独立集的构造方法中并行构造算法生成的连通支配集尺寸没有明确的上界且难以确定边界节点的问题,在串行最大独立集构造算法的基础上,提出了基于权重和时序的触发式连通支配集构造算法.仿真结果表明:该算法无需构造生成树,降低了计算时延和通信开销;此外,由于最大独立集节点存在时间上的先后关系,因而使得边界节点的数量显著减少,最终求得的连通支配集存在明确的上界.     

三维虚拟骨干网络算法优化

由于ad hoc网络的实际应用环境多数为三维空间,该文将二维平面虚拟骨干算法推广到三维空间.首先利用图论中连通支配节点集(CDS)的概念,给出三维空间中虚拟骨干网络成形算法.然后通过推导给出该算法生成的三维虚拟骨干网络保持二维平面中传输跳数稀疏比率为3, 链路长度稀疏比率为6的性质,以及该算法所构建的连通支配节点集(CDS)的节点数目与理论最优数目的比率上限为16的结论.并通过大规模的随机仿真实验,验证了三维虚拟骨干网络算法的性能.     

无线传感器网络中能量有效的最小连通支配集算法

提出了一种分布式最小连通支配集求解算法,对Rule K算法中的标记算法进行了优化,从而形成了连通支配集,并通过新的剪枝算法对连通支配集进行了有效缩减.模拟仿真结果表明:在增加算法复杂度的前提下,该算法求得的连通支配集比前算法更小.     

最小连通支配集问题的分解算法

在无线网络设计中,连通支配集(CDS)有着广泛的应用。针对最小连通支配集问题(MCDSP),提出了基于Benders的分解算法进行最优求解。将原问题分解为较易求解的最小支配集主问题和连通性子问题,其中主问题能够生成最小支配集,子问题负责判断所生成的最小支配集的连通性。若不连通,生成相应的Benders cut对主问题进行修正和进一步限定。在上述Benders算法中,主问题与子问题均为纯整数规划。在此基础上,分析了最小连通支配集问题的上下界性质,通过构造容易求解的辅助问题,并结合二分法思想进一步降低问题的搜索空间,设计了改进的Benders分解算法,加速算法收敛速度。通过计算实验与现有文献中的分解算法进行对比,证明了所提分解算法的优越性。     

一种在无线传感器网络中构造有效连通支配集的算法

构造连通支配集是解决数据收集问题的一种较有效方法,现有算法在构造连通支配集时只考虑支配集的大小,造成支配集有效期短,易产生盲点及传输数据能耗大.针对如上缺陷,综合考虑支配集的大小、节点能量及节点到基站的路径,提出了一个基于广度优先搜索生成树的算法.模拟实验表明,该算法的系统生命期比现有算法提高20%左右,延迟缩短17%左右.     

近似2-连通k-支配容错虚拟主干网

由于无线网络存在节点失效、链路断裂等特性,虚拟主干网需要具备一定的容错性。利用2-连通k-支配集作为容错虚拟主干网的模型。通过分析单位圆盘图中极大独立集的性质和连通图的块-割点树结构,首次设计出在无线自组织网络中构造2-连通k-支配虚拟主干网的近似算法。从理论上分析了该算法的时间复杂度,并证明了该算法的近似比为常数。     

无线传感网络改进的最小生成树算法

机场噪声检测是近些年来一直困扰我们的一个难题,其中一个关键点是如何解决最小连通覆盖集问题,目前国外解决该问题新的方法有集中式近似算法、令牌驱动、圆周覆盖等,国内有DVC算法、重构Voronoi划分等.研究了在同时满足网络的覆盖性与连通性的前提下,如何选择最少数目工作节点的问题,为得到已知机场区域的最小连通覆盖集,在集中式近似算法的基础上,提出一种改进的最小生成树算法,用来确保该覆盖集连通所需的辅助节点,最后通过实验对设计的算法性能进行评估.     

面向节点失效问题的无线传感器网络拓扑自愈算法

为了解决节点失效问题,建立了无线传感器网络模型,对节点失效问题进行了形式化描述和分析,并结合传感器网络拓扑需求归纳出拓扑愈合的约束:网络连通、路径代价降低和度约束.该问题属于NP-hard问题,因此设计了一种近似的拓扑愈合算法TCS-CA,通过恢复失效节点的单跳邻居间可达性来实现拓扑的自愈.该算法包括3个执行阶段:单跳邻居的连通恢复、子集合并和全局连通恢复,依次执行这些阶段后能够逐步愈合拓扑.仿真实验结果表明,当选取合适的β,λ等参数时TCS-CA算法不仅能恢复网络拓扑的连通性,还能有效地延长WSN生命期,与TCS算法相比最高可获得约13%的生命期增率.     

无线Ad Hoc网络MCDS的贪心分布式近似算法

在无线Ad Hoc网络中基于最小连通支配集(MCDS)构建虚拟主干网可以有效缓解广播风暴,提高网络性能,延长网络生存时间.利用单位圆盘图中极大独立集的性质,使用2阶段贪心分布式近似算法构造了MCDS.从理论上分析了算法的时间复杂度、信息复杂度和近似比.     

基于极小连通支配集的电力线载波路由算法

用电信息采集系统中低压电力线载波环境复杂,为提高载波通信系统可靠性,本文提出了一种高可靠性载波路由算法.算法以误码率作为可靠性测度指标,首先分析了线路环境以及设备信噪比对低压载波通信误码率的作用机理,然后建立以设备信噪比为权重的赋权网络可靠性分析模型.为减少冗余转发节点、节省网络资源,本文结合图论中极小连通支配集概念,提出了一种应用于低压电力线载波路由的极小连通支配集路由算法.选取50节点的载波台区进行实验,实验结果表明,与分簇路由算法相比,在BPSK调制模式下,本文算法实现了误码率降低14.9%,以上,并实现不同规模台区的低压电力线载波通信网络的可靠组网.     

无线传感网络中空间失效模式下的数据存储恢复算法

针对空间失效模式下的数据存储和恢复问题,设计了一种基于数据复制的存储和恢复算法.该算法为每个数据节点分配一个冗余节点,在数据节点失效时可以利用冗余节点中的数据来成功恢复数据,并且使整个过程消耗的代价最小.理论分析和仿真实验表明,同Greedy算法相比,在保证成功恢复的同时,该方法显著降低了网络的整体能耗,从而有效延长了网络的生存周期.     

一种修复网络拓扑的Steiner树移动控制算法

针对无线Ad Hoc网络中拓扑修复成功率低、节点移动开销大的问题,提出了一种Steiner树移动控制算法(SMC).采用三近似最少Steiner点算法建立一棵包含网络节点和Steiner点的Steiner树,然后将引入的Steiner点作为节点移动的目的点,选择并调度一些节点移动到这些Stei-ner点上,最后更新网络拓扑,迭代执行算法直到建立一个连通的网络拓扑.仿真结果表明,与基于分区最小生成树的移动控制算法相比,SMC算法不仅修复网络拓扑的成功率可达到100%,而且还显著降低了节点移动开销,其中节点移动总距离减小了37%~45%,节点移动总数减少了9%~29%.     

无线传感器/执行器网络SA协作分簇算法

针对现有分簇算法大多没有考虑监控区域内事件发生频率和执行任务能耗的因素,导致无法适应无线传感器/执行器网络的特点,提出一种基于SA协作模型的分簇算法（CASA）.算法从全网的能耗和时延影响的角度,建立基于SA协作的能耗模型,综合考虑时延和连通度等约束条件,以网络能量优化为目标,构造非线性优化函数,利用KKT条件求解网络理想执行器节点个数和传感器节点传输半径等网络分簇所需参数,并在此基础上完成节点的部署和成簇.该算法通信开销较小,网络平均时延和能耗等仿真结果表明：相比典型算法,能够在满足一定连通度的前提下,优化网络部署,增强网络实时性和能量均衡性.