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软件学报 2007年第05期杂志 文档列表

软件学报杂志无线传感器网络专刊

无线传感器网络专刊前言1077-1079

摘要：随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器开始在世界范围内出现．由这些微型传感器构成的传感器网络引起了人们的极大关注．这种传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协作地实时监测、感知、采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽、准确的信息，传送到需要这些信息的用户．传感器网络可以使人们在任何时间、任何地点和任何环境条件下获取大量详实、可靠的信息，真正实现“无处不在的计算”理念．这种网络系统可以广泛地应用于国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等领域．

一种适用于无线传感器网络的功率控制MAC协议1080-1091

摘要：功率控制技术通过减少节点的发射功率来降低能耗，但节点间不对称的发射功率会增加网络的冲突概率并降低吞吐量，根据实际环境中的节点部署情况，引入了基于Pareto分布的系统模型．研究了传感器网络中功率控制技术在节省能量方面的性能，提出了一种基于SMAC（sensor-MAC）可适用于无线传感器网络的功率控制MAC（media access control）协议．此协议使用功率控制调度算法选择最优相邻节点，使网络中节点的拓扑连接得到优化，在保证网络连通性的同时，降低通信的冲突率，扩大网络的吞吐量．信息的传递以最优功率发射，并使通信节点具有反作用冲突节点的能力，从而在降低网络能耗的同时保证了节点间通信的公平性．实验仿真结果显示，与现有的几种重要方案相比，新的功率控制MAC协议使网络具有了更大的有效吞吐量及更长的生存时间．

EADEEG：能量感知的无线传感器网络数据收集协议1092-1109

摘要：提出了一种基于簇结构的无线传感器网络数据收集协议EADEEG（an energy-aware data gathering protocol for wireless sensor networks）．EADEEG通过最小化网络通信开销以及良好的能量负载平衡方法，可以有效地延长网络寿命．与以前的相关研究相比，EADEEG采用了一种全新的簇头竞争参数，能够更好地解决节点能量异构问题．此外，EADEEG也采用了一种简单而有效的簇内节点调度算法，通过控制活动节点的密度，可以在不增加额外控制开销的条件下关闭冗余节点并保证覆盖要求，因此可以进一步延长网络寿命．模拟实验证明，在节点初始能量同构和异构两种情况下，EADEEG协议都能够满足用户对覆盖率的要求，并在网络寿命上大幅度优于LEACH（low energy adaptive clustering hierarchy），PEGASIS（power-efficient gathering in sensor information systems）和DEEG（distributed energy—efficient data gathering and aggregation protocol）协议．

数据收集传感器网络的负载平衡网络构建方法1110-1121

摘要：传感器网络所具有的集中式数据收集、多跳数据传输、多对一流量模式这3种特征会造成漏斗效应的出现，这会导致严重的包碰撞、网络拥塞、包丢失，甚至拥塞崩溃，还会导致能量消耗的热点的出现，使某些节点甚至整个网络过早死亡．负载平衡技术能够有效缓解漏斗效应的产生．针对静态数据收集传感器网络，基于供求网络的思想，提出了一种分布式算法，将传感器节点组织成交易平衡网络，用于平衡传感器节点的负载，利用这种方法组织而成的网络结构不是一棵负载平衡树，而是一个负载平衡网络．实验结果验证了这种方法的有效性．

无线多媒体传感器网络中一种自适应的报头压缩机制1122-1129

摘要：无线多媒体传感器网络传输大数据量的音频、视频、图像等数据，需要高效地利用宝贵的无线信道资源．报头压缩技术能够减小传输的数据量，提高信道利用效率．提出一种自适应的报头压缩机制AAHC，基于对信道状态的准确估计，动态调整压缩算法的参数，并使用UDP（user datagram protocol）Lite协议作为传输层协议．AAHC机制在获得较高压缩效率的同时，可保证报头压缩的抗差错鲁棒性．仿真结果表明，AAHC机制的性能优于传统的ROHC（robust header compression）机制和CRTP（compressed RTP）机制．

资源受限的无线传感器网络基于衰减信道的决策融合1130-1137

摘要：研究了无线传感器网络中衰减信道下的决策融合规则．由于信道衰减，由节点传输到融合中心的本地决策会丢失或产生差错，要求融合中心的融合规则能够结合信道模型作出最优判决．在Rayleigh分布的信道模型下，对一系列融合算法作了理论和仿真分析_以然比融合算法性能最优，但是它占用的系统资源犬，需要预知的信息多，性价比不高，不适合资源受限的无线传感器网络．提出了3种次优算法，它们比似然比规则耗费的信息代价要小．在不同的信噪比,（signal-to-noise ratio，简称SNR）范围下，它们的性能有各自的优劣．综合分析发现，在资源受限的无线传感器网络中，最终选择的融合规则应在性能、耗费资源量和复杂度之间获得折衷．

基于精细化梯度的无线传感器网络汇聚机制及分析1138-1151

摘要：信息汇聚是无线传感器网络的典型传输形态之一．在信息汇聚过程中，网络存在数据流分布内密外疏的不均衡特性．研究发现，在传统跳数模型下，网络数据流分布不仅存在全局不均衡性，而且同层节点内还存在着内疏外密的反向不均衡现象，从而使网络流量分析复杂化．提出一种精细化梯度模型，通过引入加权平均机制，将跳数信息转化为精细梯度信息，并以梯度作为数据汇聚的参考依据．通过理论和仿真分析，精细化梯度模型下网络具有更平稳的网络数据流分布特征，并在通常情况下具有更高的通信效率．

基于虚拟势场的有向传感器网络覆盖增强算法1152-1163

摘要：首先从视频传感器节点方向性感知特性出发，设计了一种方向可调感知模型，并以此为基础对有向传感器网络覆盖增强问题进行分析与定义：其次，提出了一种基于虚拟势场的有向传感器网络覆盖增强算法PFCEA（potential field based coverage-enhancing algorithm）通过引入“质心”概念，将有向传感器网络覆盖增强问题转化为质心均匀分布问题，以质心点作圆周运动代替传感器节点传感方向的转动质心在虚拟力作用下作扩散运动，以消除网络中感知重叠区和盲区，进而增强整个有向传感器网络覆盖．一系列仿真实验验证了该算法的有效性．

基于UWB的无线传感器网络中的两步TOA估计法1164-1172

摘要：为了设计一种以较小运算量获得较高测距精度的TOA（time of amval）估计算法以适合节点运算能力有限的UWB（ultra wideband）无线传感器网络，提出了一种结合能量检测与匹配滤波的两步TOA估计方法．分析了该方法的工作原理，指出了第1步中DP（direct path）块检测成功率及第2步中匹配滤波门限因子设置的重要性．通过仿真对影响DP块检测成功率的两个因素，即DP块检测算法的选用和能量积分周期的设置进行了讨论．提出了依据能量采样序列中DP块与最小块比值DMR（DP to minimum energy sample ratio）动态设置匹配滤波门限因子的思想，并为其建立了教学模型．仿真结果表明，两步TOA估计方法在运算量比单一的基于匹配滤波的相干算法小很多的情况下，获得了比单一的基于能量检测的非相干方法更好的TOA估计性能，从而更适合应用于有低复杂度、低能耗设计需求的传感器节点中．

传感器网络中基于环的负载平衡数据存储方法1173-1185

摘要：传统的以数据为中心的存储方法有一个非常严重的缺点：网络中存在着明显的热点区域，主要出现在sink和home节点周围．位于热点区域附近的节点所消耗的能量远大于网络内的其他节点，从而严重缩短了传感器网络的寿命对于出现在sink周围的热点问题，采用在网络中分布多个sink节点的方式消除热点．对于出现在home节点周围的热点问题，提出基于环的负载平衡数据存储协议，并以此数据存储为基础，给出相应的查询处理算法消除热点．首先，负载平衡数据存储协议将传感器网络划分为多个环，在网络工作的某个时间段内，数据被分散存储在某个环内的多个节点上洪次，该存储结构的最大特点是，在不同时间段内，各环轮换工作进一步消除热点．最后，基于环的查询处理算法也是由环内的多个节点协作完成．基于环的负载平衡数据存储协议以及基于此存储协议的查询处理算法虽然在查询处理中所消耗的能量高于传统方法，但可以保证从数据存储到查询处理的整个过程中，网络的所有节点均匀地消耗能量，从而避免了传统方法中的热点问题，达到延长网络寿命的目的．实验表明，基于环的数据存储及查询处理算法可以解决传统上基于事件存储协议中出现的热点问题，并延长传感器网络的寿命．

一种无线传感器网络中的多维K-NN查询优化算法1186-1197

摘要：提出了一种基于过滤器的无线传感器网络多维K-NN查询优化算法PREDICTOR．过滤器是设置在节点端的取值分布区间，用来屏蔽节点发送属于区间内的数据，从而节省节点能耗．在服务器端保存有各节点的历史样本数据，根据K-NN查询请求和样本数据的分布范围为节点定义过滤器．提出了3种优化策略：（1）过滤器覆盖区间大小分配策略的动态调整方法，使得进入最终查询结果可能性小的节点拥有较大的覆盖区间：（2）节点间过滤器共享方法，使得历史样本数据相近的节点使用相同的过滤器；（3）过滤器压缩传输方法，减少为不同K-NN查询更新过滤器的代价．通过实验评价，验证了PREDICTOR算法的能量有效性，与朴素算法相比．极大地降低了数据传输量．

无线传感器网络中能源高效的任务分配算法1198-1207

摘要：任务分配是高性能计算领域中的一个广泛研究的经典问题，然而，传感器网络资源严重受限，现有的算法不能直接应用．提出一种基于遗传算法的嵌套优化技术，在多跳聚簇网络中进行能源高效的任务分配．一般化的优化目标既可以满足应用的实时性要求，也可以实现能源的高效性．优化解通过结合基于遗传算法的任务映射、路由路径分配、任务调度以及动态电压调制（dynamic voltage scaling，简称DVS）这几个过程而获得．随机产生任务图模拟实验，结果表明，嵌套优化技术与随机优化技术相比，具有较好的实时性和能源高效性．

基于加权中值的分布式传感器网络故障检测1208-1217

摘要：无线传感器网络中的错误测量数据会导致网络服务质量下降和能量浪费．提出了一种通过融合邻居节点的测量数据来实现故障检测的策略．主要做了以下3项工作：（1）提出了一种新颖的对邻居节点测量数据进行加权的方法；（2）提出了一种衡量测量数据之间差距的方法；（3）提出了基于加权中值的故障诊断策略WMFDS（weighted median fault detection scheme），它同时适用于二进制决策和实数测量值．理论分析及仿真结果表明，即使节点发生故障的概率很高，提出的诊断策略也能得到很高的检测精度和较小的误判率，这表明在无线传感器网络故障检测中应用该方法具有很好的性能．

无线传感器网络密钥管理的方案和协议1218-1231

摘要：以提供安全、可靠的保密通信为目标的密钥管理方案和协议的设计是无线传感器网络安全最为重要、最为基本的研究领域．无线传感器网络固有的特性使得密钥管理研究面临许多新挑战．介绍了密钥管理的安全评价和性能评价指标体系；还介绍了密钥管理的方案和协议的分类方法；着重综述和比较了典型的密钥管理方案和协议；最后指出了存在的开放问题及解决思路．目前的研究进展表明，全分布式、自组织性、容错容侵性、与地理信息相结合等研究问题将是下一步的重点研究方向．

传感器网络中一种可靠的对密钥更新方案1232-1245

摘要：提出了一种基于预分发和协作的可靠的对密钥更新方案RPKU（reliable pairwise key-updating）．借助于一种改进的Blom密钥矩阵构造方法，该方案能够随着网络的动态变化而动态伸缩各个节点的密钥信息，从而解决了由于节点被攻击所导致的密钥泄漏和密钥连通性下降等问题．该方案还提出了一种基于分簇型传感器网络结构的密钥预分发方法，使得任意两个相邻节点间都能建立一个对密钥．仿真结果表明，与已有的密钥方案相比，该方案在安全性、密钥连通性和扩展性等方面都具有明显的优势．

全国教育游戏与虚拟现实学术会议（EGVR2007）征文通知1245-1245

一种基于局部Voronoi图的目标穿越算法1246-1253

摘要：许多传感器节点被布置在感兴趣的区域，以监控任何可能出现的目标；另一方面，智能目标搜索最佳路径穿越监控区域，以免被监测到．关注目标如何穿越被监控区域的问题，建立穿越问题模型，基于局部Voronoi图设计并实现了一系列路径搜索方法，并对其进行了详细分析与比较．其特色在于假设目标仅能探测到部分布置的传感器节点，并基于此局部信息实现穿越，这使得所提出的方法更加有效并符合客观实际．实验结果验证了该方法的可行性和适用性．

软件学报杂志科学基金

国家自然科学基金委员会信息科学部计算机科学处2006年面上项目结题评价一览表1254-1256