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ISSN 1000-1239 CN 11-1777/TP

当期目录

2008年 第45卷 第1期    出版日期:2008-01-15
论文
一种基于分治策略的多路径Ad Hoc路由协议
王 丽, 张素伟, 李占胜, 宋林健,
2008, 45(1):  . 
摘要 ( 292 )   PDF (474KB) ( 337 )  
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在无线自组织网络(MANET)中,比起单路径路由协议,多路径路由协议提供了更好的可靠性、容错性、负载平衡等,并且提供较小的端对端延迟、提供较大的有效总带宽;但是,当网络规模较大、通信节点之间相距较远时,多路径路由协议的开销会很大,多路径的条数也减少.针对这一问题,提出了一种基于分治思想的多路径路由协议(DCMR).当通信节点之间必须经过的节点较多时,将这些节点划分为较小的节点集,对各个节点集分别进行路径查找及维护.模拟实验表明,该协议明显提高了路由寻径效率,减小了网络维护开销,并且实现简单,更具实用性.
无线传感器网络的研究进展
李建中 高 宏
2008, 45(1):  1-15. 
摘要 ( 673 )   HTML ( 8)   PDF (680KB) ( 2284 )  
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随着传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术的迅速发展,无线传感器网络应运而生.由于无线传感器网络的广阔应用前景,它已经成为21世纪的一个新研究领域,在基础理论和工程技术两个层面向科技工作者提出了大量挑战性问题.从2000年开始,国内外无线传感器网络的研究日趋热烈,取得了大量研究成果.从无线传感器网络的网络通信技术、基础设施技术、中间件技术、数据管理技术、节点及其嵌入式软件技术等5个方面系统综述了无线传感器网络的研究进展,讨论目前存在的问题和需要进一步研究的方向,并提供了广泛的参考文献.
论文
EasiCC:一种保证带宽公平性的传感器网络拥塞控制机制
鞠海玲, 崔 莉, 黄长城,
2008, 45(1):  16-25. 
摘要 ( 351 )   HTML ( 0)   PDF (574KB) ( 624 )  
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实用的传感器网络拥塞控制方案不仅需要满足多项网络性能指标,而且必须控制开销很小,提出了一种满足上述要求的拥塞控制机制EasiCC(EasiNet congestion control mechanism).在EasiCC中,数据流源节点将数据报文按比例划分到各优先等级中,各网络节点根据网络拥塞程度动态地、同步地调整报文过滤标准,结合报文过滤标准和报文优先级来调节网络流量,保证了无线信道带宽分配上的公平性;将网络准入控制和队列丢包手段相结合来调整网络流量,保证了网络综合性能指标. EasiCC控制开销很少,已在实际传感器网络平台中实现.模拟验证和实验测试结果显示,EasiCC能够公平地为各数据流分配发报速度和网络带宽,并且在报文传输成功率、传输延迟等性能指标上均有良好的表现.
无线传感器/执行器网络中能量有效的实时分簇路由协议
李方敏, 徐文君, 刘新华, 胡四泉,
2008, 45(1):  26-33. 
摘要 ( 310 )   HTML ( 0)   PDF (448KB) ( 531 )  
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无线传感器/执行器网络(WSANs)主要应用于自动控制领域,实时性问题是其面临的首要挑战.根据实际环境中的节点部署情况,建立了系统模型;研究了分簇策略与功率控制技术对于自组织网络实时性的影响,提出了一种可适用于WSANs的能量有效的实时分簇路由协议——RECRP协议.该协议采用二级成簇策略使网络中的各类节点稳定分簇.分簇后的各类节点具有不同发射功率,利用执行器节点的强大通信能力有效降低网络延时.采用能量有效性算法使网络中的传感器节点轮换担任簇首,从而使网络能量均匀消耗,延长网络的生存时间.实验结果证明,在WSANs中RECRP协议可使网络稳定分簇,并且在网络的实时性与能量有效性方面与现有典型路由协议相比具有更优越的性能.
无线传感器网络中基于融合贡献的传输延时分配算法
段 斌, 柯 欣, 皇甫伟, 周新运, 孙利民,
2008, 45(1):  34-40. 
摘要 ( 260 )   HTML ( 0)   PDF (370KB) ( 436 )  
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数据融合是降低无线传感器网络的冗余能耗、延长网络生存期的有效手段之一.传输延时的分配是数据融合中的重要问题,它对网络融合的效果和数据分组的传输延迟具有很大影响.提出了一种基于融合贡献的传输延时分配算法ACDA(aggregate contribution based delay-time allocation),量化了路由树中不同位置的节点对融合效果的影响,并依此按比例分配融合等待时间.算法充分考虑到了各节点在路由树中的位置差异性和节点间的相互影响.仿真结果表明,同现有的几种延时分配算法相比,ACDA能够更加有效地改进数据融合效果,提高网络实时性.
基于能量水平的多Sink节点传感器网络路由算法
吴中博, 樊小泊, 陈 红,
2008, 45(1):  41-46. 
摘要 ( 361 )   HTML ( 0)   PDF (308KB) ( 434 )  
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单Sink节点传感器网络存在着部分关键路径上节点能量消耗过快、路由选择算法单一以及Sink节点失效等问题.首先提出了多Sink节点传感器网络数据收集的系统框架;给出了拓扑发现和维护策略;然后提出了基于最小能量消耗路由算法.在分析了该算法的不足后提出了基于能量水平的路由算法,按照计算得到的能量水平选择最优的路径进行数据传送.实验证明,基于能量水平的路由算法比基于最小能量消耗路由算法能更有效提高传感器网络的使用寿命.
无线传感器网络中一种实用的公平性控制模型
李姗姗 廖湘科 彭绍亮 程卫芳 肖 侬
2008, 45(1):  47-54. 
摘要 ( 325 )   HTML ( 0)   PDF (406KB) ( 395 )  
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公平性问题是拥塞控制中的重要级问题,目的是确保所有数据源共享同等的端到端网络带宽.为了适应传感器网络的特点,扩展了传统公平性的定义,提出了一种基于信息量的公平性定义,并基于该定义提出了一套公平性控制模型CFRC.与现有工作不同,CFRC不需要预先确定数据源,对路由结构没有限制,节点上也不需要维护任何数据流信息和全局状态信息,而是动态地实现公平性控制. CFRC使用一种基于感知面积的信息量计算算法,每个节点只需简单的本地计算而无需复杂的计算开销.在带宽分配上,提出了一种干扰源感知的带宽分配方法,以拥塞节点为中心找到所有干扰源,根据干扰源的信息量来分配信道带宽,充分实现公平性目标.模拟结果表明,CFRC能根据各数据源产生报文的信息量进行公平性控制,降低丢弃报文数目.
无线传感器网络的拥塞控制技术
孙利民, 李 波, 周新运,
2008, 45(1):  63-72. 
摘要 ( 364 )   HTML ( 0)   PDF (410KB) ( 785 )  
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无线传感器网络的多对一通信方式、无线链路的相互干扰、网络的动态变化和资源受限等特性,使得无线传感器网络容易出现拥塞,严重影响网络的QoS传输性能和生存周期,因此拥塞控制成为无线传感器网络服务质量保障机制的关键技术之一.在分析无线传感器网络特点的基础上,说明了拥塞检测和拥塞避免的策略,重点介绍和分析了基于速率控制、流量调度和传输调度等典型的拥塞解除算法,最后对拥塞控制技术的发展趋势进行了展望.
无线传感器网络中基于模型拟合的可信近似查询处理算法
潘立强 李建中 骆吉洲
2008, 45(1):  73-82. 
摘要 ( 371 )   HTML ( 0)   PDF (548KB) ( 490 )  
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无线传感器网络的一个重要应用是可信地查询网络中所有节点的监测数据.目前,多数研究主要集中在如何利用节点之间的时空相关性,节省能量地查询感知数据.但是这些方法的查询结果不能满足某些应用对数据的高可信要求,也不能适用于节点之间不存在空间相关性或空间相关性不稳定的情况.针对这一问题,提出了基于模型拟合的可信近似查询处理方法.该方法在感知数据集合上寻找具有最小数据传输比的拟合模型,通过传输模型及其参数来代替传输实际的监测数据.理论分析和实验结果证明,基于模型拟合的可信近似查询处理方法不仅能够节省大量能源而且能够返回满足用户精度要求的可信查询结果.
基于能量感知的数据汇聚和路由协议
刘 昕 王全玉 金旭亮
2008, 45(1):  83-89. 
摘要 ( 382 )   HTML ( 0)   PDF (372KB) ( 467 )  
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提出了一种分布式的高效节能的传感器网络数据收集和聚合协议,网络中节点根据与基站的远近划分成不同的层次.协议优先选择能量充足并且距离基站最近的节点直接与基站通信,其他节点的数据则通过邻接节点逐层聚合和转发,最后传送到该节点上.因为与基站通信的能量代价太高,直接与基站通信的节点能量消耗很快.当距离基站近的节点能量过低时,协议将选择距离基站较远的节点直接与基站通信.通过顶层节点迁移机制,MTP协议能够很好地将能量损耗均匀分布到所有节点.
传感器网络中节点个数约束查询处理算法
李贵林 李建中
2008, 45(1):  90-96. 
摘要 ( 312 )   HTML ( 1)   PDF (399KB) ( 321 )  
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针对传感器网络中一类新查询——节点个数约束查询,提出能量有效的查询处理算法.算法主要由查询下发和结果回收两部分构成.查询下发算法首先根据节点个数约束查询的特点提出相关节点选择以及基于Steiner树的查询下发算法.然后对该下发算法以及一种基于洪泛的能量有效查询下发算法的能量消耗进行分析,并对比两种算法的能量消耗从中选择适当的下发算法.结果回收算法提出直接和间接两种结果回收方式,并给出两种方式在进行结果回收时能够节省能量的条件.仿真实验表明,提出的能量有效节点个数约束查询处理算法能够在满足用户查询精度的同时,使其能量消耗低于其他查询处理算法.
开放的无线传感器网络平台OpenWSN
张 伟 何 斌 赵 霞 陈启军
2008, 45(1):  97-103. 
摘要 ( 708 )   HTML ( 1)   PDF (392KB) ( 561 )  
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目前以Mica和TinyOS为代表的无线传感器网络研究平台具有几个突出的缺点:计算能力偏弱,不能充分利用现有产业界的遗留代码资源,硬件相关性太强不利于向其他平台移植.因此,针对上述弱点,提出了一种基于ARM7的开放传感器网络平台方案OpenWSN并实现之.该平台在硬件设计上采用总线架构增强可扩展性,在软件设计上采取层次化、对象化设计实现组件化和服务化的目标,并可方便地与现有代码资源实现集成,保护已有投资. OpenWSN硬件节点最高为60MHz的运行频率、32位处理器架构和DMA机制使得其性能更高,可更快地完成处理任务并有更多时间用于休眠以降低功耗.
一种基于能耗度量的融合树构建算法
孙大洋, 刘衍珩, 王爱民,
2008, 45(1):  104-109. 
摘要 ( 320 )   HTML ( 0)   PDF (308KB) ( 444 )  
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基于传感器节点能耗情况对数据压缩以及数据融合进行了分析,针对在非完全融合情况下,贪婪增长树(GIT)算法构建融合树时并不能很好选择最优路由的问题,提出了一种基于能耗度量的融合树构建算法,通过融合节点反馈能耗以及到达Sink节点的跳数信息,对多个路由的能耗进行评估,进而选择低能耗路由.同时提出了一种由信息源节点进行路径加强的策略,减小了路径加强信息量以及多路径记录带来的负担.模拟实验数据表明,该算法在数据融合压缩比较小的情况下节能效果优于贪婪增长树GIT算法,并且随着信息源与Sink节点距离的增大,路径加强信息的数量也有很大降低.
面向交通信息采集的无线传感器网络节点
张豫鹤, 黄 希, 崔 莉,
2008, 45(1):  110-118. 
摘要 ( 397 )   HTML ( 0)   PDF (527KB) ( 507 )  
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智能交通系统的关键技术环节之一是能够准确地获取实时交通参数,包括交通流量、车速、车道占有率等,无线传感器网络在智能交通方面有潜在的广泛应用前景.设计实现了面向交通信息采集的无线传感器网络节点,提出了一系列相关交通信息采集专用算法,包括基于数字滤波和匹配滤波的交通流量监测算法、车速测量算法和车辆识别算法,在道路上进行了实测验证并对节点功耗进行了分析.实测结果表明,交通信息采集节点能以较高精度得到交通流量、车速、车道占有率等信息,并能较准确地对机动车和自行车进行识别.
基于Voronoi图的无需测距的无线传感器网络节点定位算法
王继春 黄刘生 徐宏力 徐 犇 李善亮
2008, 45(1):  119-125. 
摘要 ( 420 )   HTML ( 8)   PDF (439KB) ( 432 )  
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将Voronoi图应用于无线传感器网络定位问题中,提出了VBLS(Voronoi diagrams based localization scheme)定位算法.它首先对接收到的anchor节点的接收信号强度(RSSI)从大到小进行排序,然后利用UDG图依次计算每个anchor节点的Voronoi区域,最后将所有Voronoi区域交集的质心输出作为定位结果.通过仿真将VBLS和另外两种无需测距的定位算法(W-Centroid和Centroid)进行了比较.仿真结果表明,对于anchor节点随机摆放的情况,VBLS的定位误差比Centroid和W-Centroid分别降低了18%和13%;对于anchor节点均匀摆放的情况,VBLS的定位误差比Centroid降低了7%,比W-Centroid增加了2%.
一种低功耗无线传感器网络时间同步算法
肖 琳 程利娟 王福豹
2008, 45(1):  126-130. 
摘要 ( 352 )   HTML ( 0)   PDF (274KB) ( 506 )  
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时间同步对无线传感器网络的应用至关重要,为提高同步精度,多数算法都以较多的消息交换或复杂的计算为代价来达到这一目的,因而能耗较大.为减少时间同步的消息交换开销,节约节点能量,提出了一种简单低功耗时间同步算法,该算法结合了单向广播同步机制和双向成对同步机制,有效利用网络中节点的广播信息,使网络中节点单跳广播域内只有一个下层节点与之进行双向成对同步,从而达到了减少消息开销和节约能量的目的.最后通过仿真验证了该算法的性能.
一种适用于无线传感器网络的健壮的有序定位算法
季 检 石胜飞 李建中
2008, 45(1):  131-137. 
摘要 ( 256 )   HTML ( 1)   PDF (377KB) ( 415 )  
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提出了一种分布式无线传感器网络有序定位算法,利用邻居节点间的测量距离和两跳邻居的坐标信息来对网络中的节点进行定位,在测量距离误差较大的情况下仍然能够比较理想地估算出节点的地理位置.先对约束条件比较多的节点进行定位,这样该节点的定位精度就比较高,一个节点得到坐标后又会引入若干约束条件,这些条件又作为定位其他节点的约束,就这样一直定位下去.实验证明此种优化手段可以显著改善定位精度.详细分析了该定位算法中采用的各种技术,并针对邻居数目和测量距离精度做了很多实验来研究其对定位结果的影响.
无线传感器网络时间同步新技术
徐朝农, 徐勇军, 李晓维,
2008, 45(1):  138-145. 
摘要 ( 485 )   HTML ( 2)   PDF (378KB) ( 878 )  
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时间同步是无线传感器网络的基本中间件之一.最近,许多基于时间信息交换的时间同步协议已被提出.然而,在大规模无线传感器网络中,同步误差随跳距的累积问题和可扩展性需求是传统的时间同步技术面临的主要挑战.为了应对这两个挑战,无线传感器网络的研究者们开始关注古老的萤火虫同步技术和最近才被提出的协作同步技术.直到最近,尤其是在Strogatz和Mirollo模型被提出以后,古老的萤火虫同步技术才在单跳网络内取得了突破性进展.而在多跳网络中,虽然已有大量的实验和仿真,但其收敛性仍有待从理论上进行研究.基于新颖的空间平均而非传统的时间平均的思想,协作同步技术为无线传感器网络时间同步提供了另外一个新的解决方案,尽管目前对其的研究仍停留于仿真阶段.介绍了萤火虫同步技术和协作同步技术的基本思想和目前在无线传感器网络中的研究及应用现状,并探讨了未来可能的研究方向.
无线传感器网络密钥种子管理和分配模型及应用
冯 涛 马建峰
2008, 45(1):  146-153. 
摘要 ( 499 )   HTML ( 0)   PDF (479KB) ( 440 )  
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随机密钥种子预分配方案是实现安全的无线传感器网络应用的首选方案,该方案在无线传感器网络节点布置之前建立和分配某种密钥种子信息,在网络节点布置之后利用密钥种子信息建立或发现节点之间安全的通信链路.根据传感器网络的通信保密和节点认证需求,提出了通用密钥种子管理和分配模型(KSMA).该模型可用于预分配方案的安全分析,描述了预分配方案的5个安全属性.在KSMA模型中,基于单向累加器,定义了一类新的密钥种子结构,提出了新的密钥种子预分配方案和节点秘密共享发现协议,并在UC(universally composable)安全框架中对新的秘密共享发现协议进行了可证明安全分析.在新方案中说明了如何设定密钥池参数和节点密钥链参数的方法,该方法不仅保证了高概率的安全链路建立,而且可以通过节点身份证人确认机制实现节点之间身份认证,有效地防御传感器网络Sybil攻击.通过与其他方案的分析对比,新方案改善了网络安全弹性、综合性能良好.
基于对称平衡不完全区组设计的无线传感器网络密钥预分配方案
夏戈明 黄遵国 王志英
2008, 45(1):  154-164. 
摘要 ( 357 )   HTML ( 0)   PDF (665KB) ( 530 )  
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针对无线传感器网络的密钥预分配问题,利用哈达玛矩阵,设计实现了新的基于组合设计方法的密钥预分配方案——基于对称平衡不完全区组设计的密钥预分配方案sBIBD\-{Hadamard} KPS系列方案.首先,sBIBD\-{Hadamard} KPS改进了现有多数方案只能共享单个密钥的问题,并实现了同等节点密钥组长度和共享密钥强度下,比现有支持多密钥共享的随机预分配方案更高的共享概率和更小的密钥路径长度,并且只要求大于2的节点邻居度数;其次,sBIBD\-{Hadamard} KPS提出了一种实时合成共享密钥的方法,在节点密钥组物理长度不变的前提下,大大扩大了共享密钥选择空间,提高了安全强度;最后,sBIBD\-{Hadamard} KPS使用补集设计和密钥分片两种方法进行扩展设计,实现了对较大网络规模的支持,并且在一定程度上优化了能量消耗.
基于通信半径动态调整的无线传感器网络密钥管理协议
陈海坤 石胜飞 李建中
2008, 45(1):  165-171. 
摘要 ( 343 )   HTML ( 1)   PDF (344KB) ( 372 )  
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为了实现传感器网络的安全,对节点间传送的数据进行加密解密是非常重要的,这需要在节点间建立共享密钥对.由于传感器节点的资源有限,传统分发密钥的方法不能应用在无线传感器网络中.目前已经有研究者提出若干种密钥预分布方法来保证传感器网络的安全.利用传感器节点通信范围可调节的特点,提出了一种新的基于通信半径动态调整的密钥预分布方案KMVTR. 该方案不仅适用于具有大通信距离的高级节点的网络,而且同样适用于只有普通节点组成的网络.和其他方案相比,KMVTR具有若干优点,如提供最佳的抗节点俘获的能力,并且可以支撑较大的网络规模,而且在预分布阶段不需知道节点的期望部署位置.
传感器网络中数据驱动的睡眠调度机制
朱敬华 李建中 刘 勇 高 宏
2008, 45(1):  172-179. 
摘要 ( 377 )   HTML ( 0)   PDF (467KB) ( 415 )  
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在能量受限的传感器网络中,尽量延长网络寿命同时保证服务质量(如感知覆盖和数据完整)是关键的研究问题.节点睡眠调度能有效延长网络寿命.研究数据驱动的睡眠调度机制,利用感知数据的时空相关性识别冗余节点.核心思想是用非参数回归方法为节点建立预测模型,求解最大支配数的节点支配集,调度多个支配集轮流工作.睡眠节点的数据可以由支配集节点恢复.分别给出集中式、半分布式和分布式3个睡眠调度方法.据知,这是第1个将统计回归模型用于睡眠调度并扩展到大规模网络的研究.实验结果表明,该方法能够有效地减少活跃节点个数,节省能耗从而延长网络寿命,同时在用户指定误差范围内保证数据的完整性.
基于分组的分布式节点调度覆盖算法
李小龙, 林亚平, 胡玉鹏, 刘永和,
2008, 45(1):  180-187. 
摘要 ( 385 )   HTML ( 1)   PDF (434KB) ( 421 )  
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当部署的传感器节点服从随机分布时,现有的基于分组的节点调度算法不能保证各个组内的节点均匀分布在目标区域.基于以上原因,建立了极大相似分布模型,并提出了极大相似分布的一种近似求解算法:基于分组的分布式节点调度覆盖算法.算法仅需要簇内的节点维持时钟同步,簇之间节点的时钟异步对于覆盖效果的影响可以忽略,因此适用于难以维持整个网络保持时间同步的大型传感器网络.此外,给出了在节点随机分布的条件下,采用分组调度时平均覆盖率的理论上界值.仿真实验表明,提出的这种算法能使各个组内的传感器节点较为均匀地分布在目标区域,获得的平均覆盖率接近于上界值.
无线传感器网络动态节点选择优化策略
王 晟 王 雪 毕道伟
2008, 45(1):  188-195. 
摘要 ( 348 )   HTML ( 0)   PDF (529KB) ( 508 )  
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无线传感器网络的能耗和有效覆盖率是衡量其性能的两个重要指标.无线传感器网络动态节点选择优化策略通过合理配置各无线传感器节点状态,平衡网络能耗和有效覆盖率,提高网络能效性,延长网络寿命.提出一种结合了Hopfield网络与遗传算法的动态节点选择优化策略,简称为HN-GA. 该策略通过遗传算法实现全局搜索,采用Hopfield网络缩小遗传算法的搜索范围,保证遗传算法中每个基因对应待选解的有效性,并针对动态节点选择优化提出一种基于无线传感器网络能耗、寿命和有效覆盖率的综合指标.仿真实验表明,HN-GA算法能有效完成无线传感器网络动态节点选择优化,并在确保网络有效覆盖率的前提下,通过动态配置各无线传感器节点状态,降低网络能耗,延长网络寿命.与遗传算法和Hopfield网络相比,HN-GA算法不仅全局搜索能力强,且收敛速度快、耗时少.
EasiFCCT:一种保证连通性的传感器网络局部覆盖算法
刘 巍, 崔 莉, 黄长城,
2008, 45(1):  196-204. 
摘要 ( 329 )   HTML ( 1)   PDF (456KB) ( 387 )  
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调度节点轮流工作可以有效延长网络寿命,然而现有的调度协议大部分需要地理位置信息,引入了额外的负担;一些不需要地理位置信息的节点密度控制算法又无法保证有效的网络覆盖度.此外,已有的分析证明了随机算法可以以较大概率保证一定的网络覆盖度,但是因其没有考虑到节点的非连通性会导致网络出现不连通的情况,所以具有一定局限性.提出的局部覆盖算法在随机调度的基础上同时考虑节点的连通性,可以保证网络在具有一定的有效覆盖度的同时能够连通工作.仿真结果表明,算法在网络有效覆盖度方面要优于已有的工作,同时由于新算法建立在随机调度的基础上,因此其复杂度低,较易实现.