三维无线传感器网络路由协议设计和拓扑控制研究

近几年来由于三维无线传感器网络(3D WSN)在海洋监测、空间探测和森林火灾预测的大量应用，推动了这一新兴网络系统的发展。相对于传统的二维无线传感器网络，它的问题难度增加、计算复杂度成倍增加、现实物理结构复杂，并且二维WSN研究的结论不能直接推广到三维空间，而三维空间相应的问题也不能归约到二维平面上解决。目前国际上专门针对3D WSN的研究都还处于初步探索阶段。本项目以网络的路由协议和拓扑控制这两个无线传感器网络中理论和技术的基础为研究对象，目标是研制出适用于三维无线传感器网络特点的新的理论和方法，具体包括：1)设计能量高效的确保送达的三维路由协议；2)设计负载均衡的三维路由协议；3)设计能量高效和度有界的三维网络拓扑结构；4)设计容错的三维网络拓扑结构，并通过仿真、器材试验和理论分析的手段评价和比较所设计机制与算法的性能，研究结果拟达到该领域国际领先水平。

近几年来由于三维无线传感器网络在海洋监测、空间探测和环境监控的大量应用，推动了这一新兴网络系统的发展。相对于二维无线传感器网络，由于问题难度增加、计算复杂度成倍增加、现实物理结构复杂，目前国际上专门针对3D WSN的研究都还处于初步探索阶段。本项目研究的目标是设计适用于三维无线传感器网络的能量高效的三维路由协议和拓扑控制结构。本研究(1) 提出了能量高效和受限的确保送达的三维路由协议，通过扩大无线节点的传输半径来消除三维贪婪路由算法的局部极值，从理论分析和实验验证三维无线网络确保送达的贪婪路由算法的临界传输半径的阈值；(2) 采用一种新型的、基于位置信息的几何投影方法来设计负载均衡的三维路由协议，该方法能够平衡节点剩余能量，从而延长三维无线传感器网络的生命周期，并且从理论上对三维路由协议设计中负载均衡和路由传输路径距离之间的权衡进行研究；(3) 提出一种不依赖于某种确切的路由协议，而仅仅通过动态形成虚拟的路由空洞来解决传感器网络中路由空洞边缘节点负载过高的问题，该方法具有良好的可移植性和可扩展性；(4) 在国际上首次提出基于Yao图的能量高效和双向度有界的三维拓扑结构，从理论分析和实验验证了它们的内向、外向度有界性和能量扩展因子的有界性，使得这些提出的三维拓扑结构在三维无线传感器网络中能够降低网络干扰，提高网络吞吐率；(5) 提出三种容错的三维拓扑结构：3D k-RNG、3D k-GG和3D k-YG，从理论上证明并通过实验验证了拓扑结构的k连通性，节点度数有界性，甚至在k-1个节点故障时也能具有恒定的能量扩展因子，并且它们只使用相邻节点信息，适用于大型动态三维无线传感器网络。. 本项目在国际期刊和国际会议发表学术论文18篇：SCI收录7篇，EI收录11篇，其中包括领域著名国际会议InfoCom、Globecom、WCNC、国际期刊ACM TAAS、Ad Hoc Networks等。