第5章 拓扑控制
第5章-MAC层
的MAC协议。协议假设所有节点之间都是时间同步的，节点发送
的消息由多个固定长度的分组组成，每个消息都有生存时间的限 制，消息产生后必须在给定时间内发送出去，否则该消息即使发
送出去也没有意义。时间被划分为连续的长度相同的时槽，时槽
长度是发送一个固定分组需要的时间。
5.4.4 TRAMA协议
流量自适应介质访问(traffic adaptive medium access，TRAMA)协议 将时间划分为连续时槽，根据局部两跳内的邻居节点信息，采用分布式选举 机制确定每个时槽的无冲突发送者。同时，通过避免把时槽分配给无流量的 节点，并让非发送和接收节点处于睡眠状态达到节省能量的目的。TRAMA协 议包括邻居协议NP (neighbor protocol)、调度交换协议SEP (schedule exchange protocol)和自适应时槽选择算法AEA (adaptive electional gorithm)。
源站点 数据 SIFS 目的站点 DIFS 竞争 其他站点 等待时间 数据 t ACK
图5-5
DCF基本访问模式
2．RTS/CTS访问机制
如图5-6所示。DCF可利用RTS和CTS两个控制帧来进行信道预约。
RTS/CTS访问机制工作原理如图5-7所示。
DIFS 源站点 SIFS SIFS 目的站点 DIFS NAV等待时间（CTS响应帧） 其他站点 NAV等待时间（CTS响应帧） 竞争期 数据包 选退 避 CTS SIFS ACK RTS 数据包
活动 睡眠 S-MAC （a)S-MAC协议的基本机制
活动
睡眠 TA TA
TA T-MAC
（b)T-MAC协议的基本机制 图 5-12 S-MAC和T-MAC的基本机制
第5章 异步电动机恒压频比(VF)控制
这就是恒压频比控制方式。
低频时，Us和Eg都比较小,定子电阻和漏抗压降所占的 份额就比较显著，不能忽略。这时，可以人为的把定子电压 升高一些，以便近似补偿定子阻抗上的压降。带定子压降补 偿的恒压频比控制特性示于图5-1(a)中的1线，而2线为不带 定子压降补偿的恒压频比控制特性。
图5-1 U/f关系 a) 恒压频比控制特性 b) 变压变频控制特性
FBC
FBU
图5-12 恒压频比控制转速开环电流型变频调速系统
当转速给定为负值时，给定积分GI的输出为负极性，经 逻辑开关DLS检测后，控制环形分配器DRC输出逆相序， 。 当突然降低速度给定n*，由于机械惯性转子速度不会立即 变化，异步电机工作在发电制动状态，逆变桥工作在整流状态， 整流桥工作在有源逆变状态。这时的功率关系为：异步电机将 降速过程释放出来的动能转换成交流电功率，经原逆变桥转换 为直流电功率，再经原整流桥有源逆变回馈电网。 本系统能 。使逆变器不同桥臂上的两 只晶闸管同时导通，通过定子绕组流过直流，在气隙中 形成不旋转的磁场；转子绕组依惯性继续转动，在转子 中感应电势，形成电流，转子电流与气隙磁场相互作用 产生制动转矩。最后动能全部变为热能耗散掉。
5.1.2交-直-交电压型方波逆变器的工作原理
180º导电型方波逆变器中晶闸管的导通顺序是 VT1→VT2→VT3→VT4→VT5→VT6→VT1 各触发信号相隔60º的电角度，在任意瞬间有三 只晶闸管同时导通，每只晶闸管导通时间为180º电 角度所对应的时间，两只晶闸管的换流是在同一支 路内进行。从波形图可以求出相电压的有效值Uan和 线电压的有效值Uab分别为
图5-11 脉冲输出级原理电路
6.电压调节器AVR和电流调节器ACR的参数整定
在第四章中已经知道异步电动机的数学模型具有 多变量、非线性、强耦合的特点，比直流电动机的单 输入、单输出的线性特性复杂得多。只有使用微偏线 性化的方法并忽略旋转电动势对动态的影响，才可以 得到线性解耦的动态传递函数和系统结构图，并在此 基础上设计调节器。 其结果只适用于工作点附近稳定性的判别， 不适用大范围动态指标的计算 。 调节器参数的整定可以参考本章第七小节异步 电动机的小信号模型或第九章介绍的调节器整定 的试凑法。
无线传感器网络关键技术及特点
启发式的节点唤醒和休眠机制。
（2） 时间同步
时间同步是需要协同工作的无线传感器网络系统 的一个关键机制。
不同晶体的振荡频率不完全相同，随着时间的推 移，时间会出现偏差。
特定的应用中，传感器节点需要彼此合作才能完 成任务，需要实现时间同步。
（3） 定位技术
位置信息是传感器节点采集数据中不可缺 少的部分，没有位置信息的监测消息通常 毫无意义。 无线传感器网络定位通常会使用三边测量 法、三角测量法或极大似然估计法确定节 点位置。根据定位过程中是否实际测量节 点间的距离或角度，把无线传感器网络中 的定位分类为基于距离的定位和与距离无 关的定位。
传感器网络关键技术 （1） 拓扑控制
拓扑控制是无线传感器网络研究的核心技术之一。 拓扑控制是指在满足区域覆盖度和网络联通度的条件下， 通过节点发射功率的控制和网络关键节点的选择，删掉不 必要的链路，生成一个高效的网络拓扑结构，以提高整个 网络的工作效率，延长网络的生命周期。 拓扑控制自动生成的良好的网络拓扑结构，能够提高路由 协议和MAC协议的效率，可为数据融合、时间同步和目标 定位等方面奠定基础，有利于节省节点的能量来延长网络 的生存期。
（4） 网络安全
WSN安全问题是信息机密性、数据产生的可靠性、数据融 合的高效性以及数据传输的安全性。 安全机制：机密性、点到点的消息认证、完整性鉴别、新 鲜性、认证广播和安全管理。水印技术 由于节点处理能力、计算能力的限制，安全性与普通网络 有很大区别，也是无线传感器网络安全的主要挑战； 另外，无线传感器网络任务的协作特性和路由的局部特性 使节点之间存在安全耦合，单个节点的安全泄漏必然威胁 网络的安全， 所以在考虑安全算法的时候要尽量减小这 种耦合性。
第五章 环网
第五章环网环网的发展令牌环网媒体访问控制技术FDDI媒体访问控制技术和物理层结构环网的组网技术5.1 概述•传统以太网的弱点不适应重负荷应用环境无实时性能和优先权机制在拓扑结构为公共总线的以太网上，媒体使用光纤比较困难共享型以太网的覆盖范围受限于碰撞域，无法进一步拓展•20世纪80年代中期，IEEE802.5标准出世•20世纪80年代后期，使用光纤的高速环网FDDI出现•环网的特点适应重负荷应用环境具实时性能和优先权机制媒体可以使用光纤覆盖范围较大，可达数公里5.2 令牌环网媒体访问控制技术•IEEE802.5标准定义了令牌环网的媒体访问控制(MAC)技术和物理层结构•令牌环操作•MAC帧•MAC基本操作5.2.1 令牌环操作•基础是使用了一个称之为令牌的特定比特串•当环上所有的站都处于空闲时，令牌沿着环旋转•当环上一个站想发送帧时必须等待直至检测到经过该站的令牌为止•该站抓住令牌并改变令牌中的一个比特，然后将令牌变成一帧的帧首，这时，该站可以在帧首后面加挂上帧的其余字段并进行发送，此时，环上不再有令牌•这个帧将在环上环行一整周后由发送站将它清除，发送站在下列两个条件都符合时将在环上插进一个新的令牌 该站已完成其帧的发送该站所发送的帧的前沿已回到了本站(在绕环运行一整圈后)令牌环图示令牌环操作的特点•任一时刻只有一个站可以发送•在轻负载的条件下，它的效率比较低，但是在重负载的条件下，环的作用是依次循环传递，因此既有效又公平5.2.2 MAC帧•帧首定界符(SD)：指出令牌或帧的开始，使用独特的符号与帧的其余部分进行区分。
•访问控制(AC)：包含被用于优先机制中的优先级和预留比特以及监控比特，这一字段还包括令牌比特•帧控制(FC)：指出该帧是一个LLC的数据帧(FF=1)还是一个MAC控制帧(FF=0)。
•目的地址(DA)：表明帧欲发往的目标站。
该地址可为单站地址，组播地址或广播地址，选择16比特还是48比特由实现来决定•源地址(SA)：帧的始发站地址。
《无线传感器网络设计与应用》课程标准
《无线传感器网络设计与应用》课程标准课程名称：无线传感器网络设计与应用总学时：60学分：4开课单位：电气信息工程学院课程类别：专业拓展课授课方式：教、学、做一体化适用专业：电子信息工程技术专业、应用电子技术专业一、课程性质《无线传感器网络设计与应用》是电子信息工程技术专业、应用电子技术专业的一门专业拓展课。
二、课程设计思路《无线传感器网络设计与应用》课程采用“基础理论——项目化实践”的组织结构组织课程教学内容。
首先，通过基本理论的教学，使同学们了解无线传感器网络的发展历程、特征、关键技术以及应用方向。
其次，通过师生共同完成一系列完整项目的形式开展教学活动。
教师边示范，边讲解，边指导，学生边学、边做、边实践。
实现在“教中学”，在“学中做”，在“做中学”，教、学、做合一。
使学生在项目实施过程中收获知识，提高技能，掌握方法，感受实际工作过程。
三、课程基本目标本课程培养目标分为方法能力、专业能力和社会能力：1、方法能力（1）掌握搜集、整理、应用“无线传感器网络”相关学习资源的方法；（2）掌握无线传感器网络应用系统功能需求分析、系统设计、软硬件联合调试的方法；2、专业能力（1）了解无线传感器网络体系结构、路由协议、MAC协议、拓扑控制、定位技术、时间同步、安全技术、协议标准；（2）掌握IAR Embedded Workbench软件的使用；（3）掌握以TI CC2530 SoC芯片为CPU的应用系统硬件电路设计；（4）掌握TI CC2530 SoC芯片祼机软件开发；（5）掌握基于CC2530硬件平台和IAR软件平台的Zigbee Zstack协议栈应用开发。
3、社会能力（1）具有良好的职业道德和社会责任感、工作责任心，能主动参与到工作中；（2）具有团队协作精神，能主动与人合作、交流和协商；（3）具有群体意识和劳动组织能力。
（4）具有诚实守信的品质，树立环保、节能和安全意识。
四、先修课程《无线传感器网络设计与应用》课程的先修课程有《程序设计基础》、《传感器的选择与应用》、《单片机应用设计与制作》。
无线传感考点小结
2.层次拓扑控制:
是利用分簇思想，使网络中的部分节点处于激活状态，成为簇头节点; 由这些簇头节点构建一个连通的网络来处理和传输网络中的数据，并定
期或不定期地重新选择簇头节点，以均衡网络中节点的能量消耗。 3.层次拓扑控制的意义
各种智能终端。
8.传感器节点 传感器模块：信息采集、数据转换 处理器模块：控制、数据处理、网络协议 无线通讯模块：无线通信，交换控制信息和收发采集数据 能量供应模块：提供能量 9.传感器节点的限制（注意前两个）
（1）．电源能量有限 传感器节点消耗能量的模块
传感器模块 处理器模块 无线铜线模块
网络上层
网络下层
骨干节点
一般传感器节点
图 2-3 无线传感器网络混合网络结构
混合网络拓扑结构和分级网络结构的区别： 一般传感器节点之间可以直接通信；不需要通过骨干节点来转发数据。
网络上层
网络下层
骨干节点
一般传感器节点
图 2-3 无线传感器网络混合网络结构
（4）Mesh 网络结构 从结构来看，不同于完全连接的网络结构, Mesh 网络是规则分布的网络，通
6.TopDisc 算法缺点： 簇首节点能量消耗大 同一节点自始至终一直扮演普通节点或簇首节点中的一个角色。
7.GAF 算法 GAF -- Geographical Adaptive Fidelity GAF 是一种基于地理位置为依据的分簇算法
GAF 核心思想 在各数据到数据目的地之间存在有效通路的前提下，尽量减少参与数据传输的节点数，
色节点，否则它将成为灰色节点。 4)当白色节点收到来自深灰色节点的查询消息时，等待一段时间
第五章--单相并网逆变器
第5章单相并网逆变器后级的DC- AC部分，采用单相全桥逆变电路，将前级 DC- DC输出的400V 直流电转换成220V/50Hz 正弦交流电，完成逆变向电网输送功率。
光伏并网逆变器实现并网运行必须满足要求：输出电压与电网电压同频同相同幅值，输出电流与电网电压同频同相（单位功率因数），而且其输出还应满足电网的电能质量要求，这些都依赖于逆变器的有效并网控制策略。
光伏并网逆变器拓扑结构按逆变器主电路的拓扑结构分类，主要有推挽逆变器、半桥逆变器和全桥逆变器。
5.1.1推挽式逆变电路推挽式逆变电路由两只共负极的功率开关元件和一个原边带有中心抽头的升压变压器组成。
它结构简单，两个功率管可共同驱动，两个开关元件的驱动电路具有公共地，这将简化驱动电路的设计。
U图5-1 推挽式逆变器电路拓扑推挽式电路的主要缺点是很难防止输出变压器的直流饱和，另外和单电压极性切换的全桥逆变电路相比，它对开关器件的耐压值也高出一倍。
因此适合应用于直流母线电压较低的场合。
此外，变压器的利用率较低，驱动感性负载困难。
推挽式逆变器拓扑结构如图5-1 所示。
5.1.2半桥式逆变电路}半桥式逆变电路使用的功率开关器件较少，电路结构较为简单，但主电路的交流输出电压幅值仅为输入电压的一半，所以在同等容量条件下，其功率开关的额定电流要大于全桥逆变电路中功率元件额定电流，数值为全桥电路的2 倍。
由于分压电容的作用，该电路具有较强的抗电压输出不平衡能力，同时由于半桥式逆变电路控制较为简单，且使用元件少、成本低，因此在小功率等级的逆变电源中常被采用。
其主要缺点是直流侧电压利用率低，在同样的开关频率下电网电流的谐波较大。
图5-2 半桥式逆变器电路拓扑5.1.3全桥式逆变电路全桥逆变电路可以认为是由2 个半桥逆变电路组成的，在单相电压型逆变电路中是应用最多的电路，主要用于大容量场合。
在相同的直流输入电压下，全桥逆变电路的最大输出电压是半桥式逆变电路的2 倍。
Ad_Hoc_网络拓扑控制算法的设计与仿真（攻略）
分类号密级U D C学位论文Ad Hoc 网络拓扑控制算法的设计与仿真作者姓名：叶宁指导教师：李喆教授东北大学信息科学与工程学院申请学位级别：硕士学科类别：工学学科专业名称：通信与信息系统论文提交日期：2008 年1 月10 日论文答辩日期：2008 年1 月19 日学位授予日期：答辩委员会主席：评阅人：东北大学2008 年 1 月A Thesis for the Degree of Master in Telecommunications and Informatio n Systems Design and Simulation of a Topology ControlAlgorithm for Ad Hoc Networksby Ye NingSupervisor ：Professor Li ZheNortheastern UniversityJanuary 2008- I -独创声明本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。
论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示诚挚的谢意。
学位论文作者签名：签字日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。
本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。
（如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：签字日期：东北大学硕士学位论文摘要- II -Ad Hoc 网络拓扑控制算法的设计与仿真摘要Ad Hoc网络作为一种无中心、自构建、自组织和自管理的新型网络，因其组网灵活、展开迅速、分布式控制等诸多的优点，在军事和民用领域有广泛应用，成为研究的热点。
无线传感器网络技术与应用 第2版 教学大纲[3页]
![无线传感器网络技术与应用 第2版 教学大纲[3页]](https://img.taocdn.com/s3/m/026e2549f6ec4afe04a1b0717fd5360cba1a8de1.png)
《无线传感器网络技术与应用》课程教学大纲一、基本信息课程中文名称无线传感器网络技术与应用课程英文名称Wireless sensor network technology and application课程类别通识教育（）大类基础（√）专业核心（）专业方向（）课程性质必修（）任选（√）总学时24（其中理论教学20学时，实验4学时）本课程对毕业要求的贡献培养学生计算思维能力，使学生能够综合应用结构化程序设计的基本方法编写简单应用程序。
二、教学目的与任务无线传感器网络是信息科学领域的一个全新发展方向，是物联网的支撑技术之一。
传感器技术在遥控、监测、传感和智能化等高科技应用领域中发挥着重要作用。
课程主要内容包括：无线传感器网络的网络与通信技术，及以时间同步、定位技术、数据管理、目标跟踪、拓扑控制、覆盖技术、安全技术等为支撑的无线传感器网络技术与应用；无线传感器网络的软硬件设计，新型的人工智能物联网，以及无线传感器网络在智能家居、智能温室系统和远程医疗监护系统中的应用；最后是工程实践指导，且给出了完整的实现细节。
本课程适用于物联网工程、通信工程、计算机应用、人工智能等专业的高年级本科生教材，也可以适用于建筑电气、网络管理等领域的工程技术人员和从事智能物联网等工作的技术人员学习用。
三、教学内容与要求基本教学内容（一）概述 2学时无线传感器网络（WSN）概述，主要内容：WSN的发展历程、基本概念、应用领域、特点、关键技术。
（二）网络与通信技术2学时1、物理层概述、链路特性、物理层设计、低俗物理层、中高速物理层；2、MAC概述、基于竞争的MAC协议、基于时分复用的MAC协议、其它MAC协议；3、路由协议概述、平面路由协议、分簇路由协议、其它路由协议、路由协议自主切换；4、传输协议概述、拥塞控制协议、可靠保证协议；5、ZigBee与IEEE 802.15.4的区分、ZigBee协议框架和特点、网络层规范、应用层规范。
第5章 异步电动机恒压频比(VF)控制
5.1.2交-直-交电压型方波逆变器的工作原理
180º导电型方波逆变器中晶闸管的导通顺序是 VT1→VT2→VT3→VT4→VT5→VT6→VT1 各触发信号相隔60º的电角度，在任意瞬间有三 只晶闸管同时导通，每只晶闸管导通时间为180º电 角度所对应的时间，两只晶闸管的换流是在同一支 路内进行。从波形图可以求出相电压的有效值Uan和 线电压的有效值Uab分别为
图5-6 给定积分器原理电路
2.函数发生器（GF）
功能--是实现调速时V/f协调所需要的函数关系，它的工 作原理示于图5-7 中。 对运算放大器A的虚地点列电流平衡方程式，可推导出函 数发生器输出Uo和输入Ui之间的关系式为
R R R R 2 p 2 2 p 2 U U U o k i R R 1 5
在实际应用中,由于负载大小不同,需要的 补偿量也不一样,应该给用户留有选择的余地。 在通用变频器中,作为一个参数,用户可以设定 一个合适的补偿量。 在基频以上调速时,受电源能力和电机耐压 的限制,电压不再能继续随频率上升,通常的作 法是保持Us=UsN，这将迫使磁通随频率上升成 反比地下降,相当于直流电动机弱磁升速。 如果电动机在不同转速时所带的负载都能 使电流达到额定值,则转矩基本上随磁通变化。 所以概括地总结为：基频以下,恒磁通意味着恒 转矩；基频以上,弱磁升速意味着恒功率,类似 直流电动机。
5.1.4 逆变器的电压控制方式
1.晶闸管移相调压
2.斩波调压
5.1.4 逆变器的电压控制方式
图5-4 方波逆变器的电压调节 a) 可控整流 b) 斩波调压
5.2 速度开环交-直-交电压型变频调速系统
它的特点是结构简单，用于调速性能要求不高或功率较大的 场合，例如风机、水泵、输送带传动等。
拓扑控制综述
拓扑控制综述[摘要]本文基于Ad Hoc网络和无线mesh网络，概述了两种不同网络的拓扑控制的算法策略和模型，介绍了经典的算法和思想。
指出了拓扑控制的研究趋势和在优化网络中的可结合点。
本文属于一篇概述性文章，类似于读书笔记。
[关键字]Ad-hoc网无线mesh网拓扑控制功率1.拓扑控制简述拓扑控制是AD-HOC网中最重要的技术之一，主要用来降低能量消耗和无线干扰，其目标是在降低能量消耗和无线干扰的前提下，控制网络节点间的通信串路和节点的传输范围，以提高全网的生命周期和效率，如连通性和对称性等。
由于AD-HOC网的移动性，拓扑控制影响到整个网络的性能，这是因为网络中的节点可以以任意速度和任意方式移动，加上无线发送装置发送功率的变化、无线信道间的互相干扰因素、地形等综合因素影响下，节点间通过无线信道形成的网络拓扑结构可以随时发生变化而且变化的方式和速度都是不可预测的，这更加重了无线自组网拓扑控制的难度。
无线MESH网络（WMN）是一种新型的自组织、自愈合、高建壮性、高带宽的多跳无线网络。
主要由两种节点组成，MESH路由节点和MESH终端用户。
每个处于MESH网络内的节点都可以有用户又有路由器的功能，因此每个节点都可以向其传输距离内的节点转发分组。
因此，这种网络有易于维护、健壮性强、传输距离大等优点。
2.拓扑控制模型2.1AD-HOC网拓扑控制模型将AD-HOC网抽象为欧式空间内点集合，节点覆盖范围根据节点的最大传输范围分配。
无线自组网的拓扑就是一些路由可达的串路集合，其主要取决于无线收发器的地理位置、发射器的发射功率、无线干扰、天线的方向等因素。
拓扑控制的目标是通过控制节点间的通信串路和传输范围使生成的网络拓扑满足一定的性质，以延长网络生命周期，降低网络干扰，提高吞吐率。
2.2无线MESH网络拓扑控制模型优化目标是通过调整每个节点的传输功率来提升网络的吞吐量、减少干扰等。
可以将无线mesh主干网用无向图G=（V,E）表示，建立吞吐量或是低干扰的模型，寻找性能指标来衡量各个网络性能的走向。
拓扑控制算法分析与实现
计 算 机 与 网 络 创 新 生 活
拓扑控 制算 法分析 与实现
张力华 霍永华 （ 中国电子科技集团公 司第五十四研究所 河北 石 家庄 ００ ８） ５ ０１
【 要】针对机动通信网拓扑 结构动 态变化 的特点 ，在 Ｇ 摘 Ｇ图的基础上 ，分析 了 自维护 网络最 小能量特 性拓 扑控 制算法
ｔ ｅ ｉｅ ｅ ｓｆ ｒｐ ｒｏ ｍ ａ ｅ ｏ ｉ ｉａ ｏｎ ｏｂ ｅ ｃ ｍ ｕ ｃ ｔｏｎ ｎｅ ｏ ｋ． ｈｅｒ ｑｕ ｒｍ ｎｔ ｅ ｆ ｒ ｎｃ ｐｔ ｚ ｔ ｏ ｍ ｉ ｏｆｍ ｌ ｉ ｏｍ ｉ ｉ ｔ ｒ ｎ ａ ｗ
Ｋｅ ｒ ｓ ｙ ｗｏ ｄ ： ｔ ｐ ｌ ｇ ｏ ｔｏ； ｏ ｏ ｏ ｃ ｎ ｒ ｌ ＢＭ Ｓ ； Ｍ Ｓ ；ｃ ｎ ｅ ｔ ｔ ； ｎｌ ｕ ｅ ｅｇ ｅ ｔ ｒ ｓ ｙ ＳＳ Ｓ ｏ ｎ ｃ ｖ ｙ ｍｉ ｉ ｌ ｍ ｎ ｒ ｆ ａｕ ｅ ｉ ｉ Ｔ ｙ
特 性 可 以 减 少 分 组 传 输 时 延 ， 低 节 点 的 功 率损 耗 ， 高 网络 降 提 的吞 吐 率 。更 为 重 要 的 是 ， 网络 的 组 成发 生 动 态 变 化 时 ， 当 算 法 可 以 以 响 应 的方 式 维 护 全 网 的 连 通 性 和 全 局 的 最 小 能 量 特 性。 也就 是说 ， 有发 现 网络 变 化 的 节 点 才 可 能需 要 重 新 运 行 只
ａ ｕｔ ｎ ｆ ｅ ｏｋｔｐ ｌｇ ｅｗ ｒ ｎ ｇｍｅｔｙｔ Ａｎｅ ｅ — ｆｃ ｎ ｓｉｕｅ ｐ ｌｇ — ｏ ｔ ｌ ｌ ｒｈ ｃ ｅ ｄｓ ｊ ｍｅｔ ｔ ｒ ｏ ｙ ｉ ｎｔ ｏｋｍａａ ｅ ｎ ｓｍ． ｎｒ ｅ ｉ ｔ ｔｂ ｔｄｔ ｏ ｙ ｃ ｎｒ ｇ ｉ ｍ ａ ｍｅｔ ｏｎｗ ｏ ｏ ｎ ｓ ｅ ｙ ｇ ｉ ｅ ｄ ｒ ｉ ｏ ｏ ｏａ ｏ ｔ ｎ
无线传感器网络拓扑控制分析
无线 传感 器 网络 生 命周期 的延 长 ，研 究拓扑 控制 有
着重 要意 义 。
线 限制 和成本 问题 ， 由于无 线传 感器 网络 “ 时 随地 随
无 线 ” 的理 念 ，有 限 能 量 的 合 理 利 用 成 为 了 限 制 ＷＳ 的一 个瓶 颈 。 目前 ， Ｎ 针对 ＷＳ 的 各 方 面的 研 Ｎ
的能 量维持 网络拓 扑 。目前 ， 拓扑 控 制算 法 的研 究主要 分 为集 中式和 分 布式 两种 。文章 对
简要介 绍 了无 线传 感 器 网络 中拓 扑控 制研 究的 意 义 ，总结 了无 线传 感 器 网络 的拓 扑 结构
及 现 有的 一 些拓 扑控 制 算 法 ， 最后探 讨 了存在 的 问题 和今 后 的发 展 方 向。
究 都是 围绕这 个 目的 展开 的 。
作 为无 线传 感器 网络 中最 重 要 的技 术之 一 。实
现该 拓扑 控 制技 术 的 网络 结构 有 三种 ： 星状 网 、 网状 网及混合网（ 星状 网 十网状 网 ） 每种 网络 结 构 都 Ⅲ，
有 自身 的优 点 和缺 点 。
２Ｉ 星 状 网络 拓 扑结构 ．
对 网络进 行拓 扑控 制 ，町以实现 对 传感 器 节点 通 信 功 率的控 制 ， 证 网络 的连通 性 ， 时可 以减 少 节点 保 同
间 的通信 干扰 ， 高整 个 网络 的通 信 效率 ； 提 在此 基 础
２２ 网 状 网 络 拓 扑 结 构 ．
网状 拓 扑 结 构 是 多跳 （ ｌ．ｏ ， ｍｕｔｈ ｐ 即一 次 中继 ） ｉ 系统 ， 中所 有无 线 传感 器节 点都 相 同 ， 其 而且 直接 互
拓 扑控 制是研 究 无线传 感 器 网络 的重要基 础 之
第五章光伏并网逆变器的电路拓扑讲解
第五章光伏并网逆变器的电路拓扑5.1 光伏并网逆变器的分类5.2 隔离型光伏并网逆变器5.3 非隔离型光伏并网逆变器5.4 多支路光伏并网逆变器5.5 微型光伏并网逆变器第五章光伏并网逆变器的电路拓扑光伏并网逆变器将太阳能电池输出的直流电转换成符合电网要求的交流电再输入电网，是光伏并网系统能量转换与控制的核心。
光伏并网逆变器的性能影响和决定整个光伏系统是否能够稳定、安全、可靠、高效地运行，同时也是影响整个系统使用寿命的主要因素。
本章将对光伏并网逆变器进行分类讨论。
5.1 光伏并网逆变器的分类根据光伏并网逆变器与电网的连接有无隔离变压器，可将光伏并网逆变器分为隔离型和非隔离型两大类，详细分类如图5-1所示。
图5-1 光伏并网逆变器分类5.1 光伏并网逆变器的分类5.1.1 隔离型光伏并网逆变器结构工频隔离型特点：主电路和控制电路相对简单，光伏阵列直流输入电压的匹配范围较大，可有效防止电网电流通过桥臂与人体在直流侧形成回路造成的人体伤害事故，保证系统不会向电网注入直流分量，有效的防止了配电变压器的饱和。
但体积大、质量重，增加了系统损耗及成本。
5.1 光伏并网逆变器的分类5.1.1 隔离型光伏并网逆变器结构高频隔离型特点：相比工频隔离型，具有较小的体积和质量，克服了工频隔离型的主要缺点。
图5-3 高频隔离型光伏并网逆变器结构a) DC/DC变换型 b) 周波变换型5.1 光伏并网逆变器的分类5.1.2 非隔离型光伏并网逆变器结构与隔离型相比，省去了笨重的隔离变压器，体统结构简单、质量变轻、成本降低并提高了效率，将成为今后主要的光伏并网逆变器结构。
包括单级非隔离型和多级非隔离型。
图5-4 非隔离型光伏并网逆变器结构5.1 光伏并网逆变器的分类5.1.2 非隔离型光伏并网逆变器结构非隔离型的光伏并网系统中，光伏阵列与电网电压直接连接。
大面积的光伏阵列与大地之间存在较大的分布电容，因此会产生光伏阵列对地的共模漏电流。
《无线通信原理及应用》课后习题
《无线通信原理及应用》课后习题第1章无线传感器网络概述1、无线传感器网络的定义？2、传感器节点结构及其各部分功能？3、无线自主网的定义？4、传感网与无线自主网的主要区别？5、传感器网络的特点？6、传感器网络的应用主要包括那些方面？7、传感器网络的关键技术包括那些？第2章路由协议1、传统路由协议主要功能？2、无线传感器网络路由协议与传统路由协议有什么不同点？3、无线传感器网络的路由协议的特点？4、传感器网络路由机制的要求有哪些？5、根据传感器网络的不同应用敏感度不同，可将传感器网络的路由协议分为：6、能量路由策略主要有哪几种？7、能量多路径路由的基本思想？8、能量多路径路由的基本过程？9、定向扩散路由的基本思想？10、定向扩散路由机制的基本过程？11、谣传路由的基本思想？12、GEAR路由的基本过程？13、传感器网络有三种存储监测数据的主要方式？14、GEM路由的基本思想？15、虚拟极坐标建立过程的步骤？16、边界定位的地理路由的基本思想？17、一个信标节点确定边界节点的过程？18、目前，研究人员提出的可靠路由协议主要从两个方面考虑？19、基于不想交路径的多路径路由机制的基本思想？20、ReInForM路由的基本过程？21、SPEED协议的基本过程？22、SPEED协议主要由几部分组成？第3章MAC协议1、在设计无线传感器网络的MAC协议时，需要着重考虑哪几个方面？2、在无线传感器网络中，人们经过大量实验和理论分析，总结出可能造成网络能量浪费的主要原因包括哪几方面？3、传感器网络的MAC协议分哪三类？4、基于竞争的MAC协议的基本思想？5、IEEE 802.11MAC协议有哪两种访问控制方式？6、S-MAC协议工作机制？7、流量自适应侦听机制的基本思想？8、Sift协议的设计目的？9、Sift协议的核心思想？10、Sift协议的工作原理？第4章拓扑控制1、网络的拓扑结构控制与优化有着十分重要的意义，主要表现在以下几个方面？2、传感器网络中的拓扑控制按照研究方向可以分为哪两类？3、拓扑结构的常见算法有哪些？4、基于节点度算法的核心思想？5、基于邻近图的算法的作用？6、什么是LEACH算法？7、LEACH算法的实现过程？8、GAF算法的基本思想是什么？9、GAF算法的执行过程10、TopDisc算法的基本思想是什么？11、STEM-B (STEM-BEACON)算法的基本思想是什么？12、ASCENT算法执行分哪几个阶段？第5章IEEE 802.15.4标准1、IEEE 802. 15. 4标准的实现目标？2、IEEE 802. 15. 4标准定义的LR-WPAN网络具有哪些特点？3、IEEE 802. 15. 4网络根据应用的需要可以哪些网络结构。
无线传感器网络中的拓扑控制
Ｔｏ ｏｏ ｙ ｃ ｎｒ ｌｆｒｗｉｅｅ ｓｓ ｎ ｏ ｅｗｏ ｋ ｐ ｌｇ ｏ ｔｏ ｏ ｒ ｌｓ ｅ ｓ ｒｎ ｔ ｒ ｓ
ＢＩ ＡＮ ｎ ｚ ａ ，ＹＵ ｉｂｉ ，ＺＥＮＧ ｎ Ｙｏ ｇ—ｈ ｏ 一 Ｈａ ＿ ｎ Ｐｅ ｇ
（ ． ｈｎａｇ Ｉ ｉ ｔ ｏ ｕ ｍ ｔ ｎ ｈｎｓ Ａａ ｅ ｙ ｏ ｃ ｎｅ，Ｓ ｙ ｏ １Ｓ ｅｙ ｎ ｍｔｕｅ ｆＡ ｔ ａｉ ，Ｃ ｉｅ ｃｄｍ Ｓｉ ｃｓ ｈｎａｇ １０ １ ｔ ｏ ｏ ｅ ｆ ｅ １ ｈｒ ；２ Ｇａ ｕｔ ｃｏｌ ｈｎ ｅ ｃｄｍ ｆ ￣ ｅ
ｅ ｉｔｎ ｒ ｂｅ ｘ ｓｉ ｇ ｐ ｏ ｌｍｓ，ｏ ｅ ｓｕ ｓａ ｅ ｅ ｒｈ ｔｅ ｄ ． ｐ ｎ ｉｓ ｅ ｎｄ ｒｓ ａｃ ｒ ｎ ｓ
Ｋｅ ｏ ｄ ：ｗ ｒｌ ｅ ｓｒ ｅ ｏ ｓ ＷＳ ；ｔ ｏ ｇ ｏ ｔ ｌ ｔ ｎ ｍ ｔ ｏ ｅ ｃｎｒｌ ｄ ｍ ｎ ｔ ｇｓｔ ｃ ｓ ｒ ｇａ ｏ ｔ ｙｗ ｒ ｓ ｉ ｓ ｓｎｏ ｔ ｒ （ Ｎ） ｏ ｌ ｃｎｒ ； ｒ ｓ ｉｐ ｗ ｒ ｏ ｔ ； ｏ ｉ ｉ ； ｌ ｔ ｎ ｌ ｒ ｈ ｅｓ ｎｗ ｋ ｐｏ ｙ ｏ ａ ｏ ａｎ ｅ ｕｅ ｉ ｇ ｉｍ
０ 引言
无线传感器网络是 一种新兴 的网络 ， 一般具 有大规模 、 自 组织 、 随机部署 、 环境复杂 、 感器节点资源有限 、 传 网络拓扑经
常 发生 变 化 的 特 点 。无 线 传 感 器 网络 的 这 些 特 点 决 定 了 拓 扑 控制 在 无 线 传 感 器 网络 研 究 中的 重 要作 用 ， 时 这些 特 点 也 同 使 得它 的拓 扑 控 制 研 究具 有 挑 战 性 。首 先 ， 扑控 制 是 一 种 重 拓 要 的节 能 技 术 ； 次 ， 扑控 制 保 证 网络 覆 盖 的 质 量 和 连 通 质 其 拓
应用Delaunay图的拓扑控制
西安电子科技大学 理学 院， 西安 ７ ０ ７ １０ １
Ｓ ｈ ｏ ｆ Ｓ ｉｎ ｅ Ｘｉ ｉｎ Ｕｎ ｖ ｒｉ ， ’ ｎ ７ ０ ７ ， ｈ ｎ ｃ ｏ ｌ ｏ ｃｅ ｃ ， ｄ ａ ｉ ｅ ｓ ｙ Ｘｉ ａ １ ０ １ Ｃ ｉ ａ ｔ
Ｅ—ｍａ ｌ ｚｚ ａ ｘｄ ｇ ｉ．ｏ ｉ： ｆｈ ｎｇ ＠ ｍａ ｌ ｍ ｔ
摘
要： 无线传感器网络拓扑控制的主要任务是减少节点的能量 消耗 ， 而延 长整个 网络 的生存 时间。而无线传 感器 网络 的能量 从
消耗主要 集 中在 无线通信模块上 ， 因此 ， 通过降低 无线通信模块的能量消耗 和控 制邻居 节点集 ， 少通信链路 ， 通信限制在重要 减 把
链 路 中 ， 以减 少节 点 的 能 量 消耗 。基 于 以上 因素 ， ＭＧ模 型 与 Ｄ ｌｕａ 可 将 ｅ ｎｙ图结 合 ， Ｄ ｌ ｎｙ图 中限 制 通 信 链 路 并 保 留最 优 能 ａ 在 ｅ ｕａ ａ
耗路 ， 得到 ＭＥ ｅ 算法。该算法具有强连通性 、 Ｄｌ 对称性 和平均度有界的优点。
关键词 ： 无线传感器网络 ； 拓扑控 制算法； ＭＧ模型 ； ｅ ｕ ａ Ｄ ｌ ｎｙ图； Ｄ ｌ ａ ＭＥ ｅ 算法
Ｄ ：０３ ７／ｉ ｎ１０ — ３ １ ０ ０ ５ ３ 文章编号 ：０ ２ ８ ３ （０ ０ ０ — １５ ０ 文献标识码 ： 中图分类号 ：Ｐ ９ ＯＩ１ ． ８ｊｓ ． ２ ８ ３ ． １． ． １ ７ ．ｓ ０ ２ ００ １０ — ３ １２ １ ）５ ０ ０ — ３ Ａ Ｔ ３３
Ｃ ｍ ｕ ｒＥ ｇｎｅｉ ｎ ｐ ｌ ａｉ ｓ ｏ ｐ ｔ ｎ ｉ ｒ ｇ ａｄ Ａ ｐｉ ｔ ｎ 计算机工程与应用 ｅ ｅ ｎ ｃ ｏ
２ １ ，６ ５ ００４ （）
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第五章 拓扑控制
3．网络生命期 网络生命期有多种定义。
一般定义：直到死亡节点的百分比低于某个阈值时的持续时间。
另一种定义：对网络的服务质量的某种度量的来定义。可以认为网络只有 在满足一定的覆盖质量、连通质量、某个或某些其他服务质量时才是存活的。
第五章 拓扑控制
5．干扰和竞争 ◆减小通信干扰、减少MAC层的竞争和延长网络的生命期基本上是一致的：
功率控制可以调节发射范围，睡眠调度可以调节工作节点的数量。
这些都能改变1跳邻居节点的个数(也就是与它竞争信道的节点数)。 ◆对于功率控制，网络无线信道竞争区域的大小与节点的发射半径r成正比， 减小r就可以减少竞争。 ◆睡眠调度也可以通过使尽可能多的节点睡眠来减小干扰和减少竞争。
◆特点：在节点分布均匀的情况下，具有较好的性能。但是，一个相对孤 立的节点会导致所有的节点使用很大的发射功率，所以在节点分布不均的情 况下，它的缺陷是明显的。 ◆Kawadia 和Kumar 提出了改进算法，但其主要缺陷是开销太大。
第五章 拓扑控制
（2）基于节点度的功率控制
◆基本思想是：给定节点度的上限和下限，每个节点动态地调整自己的发射 功率，使得节点的度数落在上限和下限之间。 ◆缺点：一般难以保证网络的连通性。 ◆具有代表性算法：柏林工业大学的Kubisch 等人提出的LMA 和LMN[26]等。
基于方向的算法需要可靠的方向信息，因而需要很好地解决到达角度问题， 节点需要配备多个有向天线，因而对传感器节点提出了较高的要求。
第五章 拓扑控制
（4）基于邻近图的功率控制
◆伊利诺斯大学的Li 和Hou 提出的DRNG 和DLMST[29]是两个具有代表性的 基于邻近图理论的算法。 ◆基本思想：设所有节点都使用最大发射功率发射时形成的拓扑图是G，按照 一定的邻居判别条件求出该图的邻近图 G' ，每个节点以自己所邻接的最远节点 来确定发射功率。 经典的邻近图模型：RNG(relative neighborhood graph)，GG(Gabriel graph)，DG(Delaunay graph)，YG(Yao graph)和MST(minimum spanning tree)等。 ◆DRNG算法是基于有向RNG 的，DLMST算法是基于有向局部MST 的。 ◆DRNG 和DLMST 能够保证网络的连通性，在平均功率和节点度等方面具有 较好的性能。 基于邻近图的功率控制一般需要精确的位置信息。 微软亚洲研究院的Wattenhofer等人提出的XTC算法对传感器节点没有太高的 要求，对部署环境也没有过强的假设，提供了一个面向简单、实用的研究方向， 代表了功率控制的发展趋势，教材有详细介绍。
第五章 拓扑控制
7．拓扑性质 ◆对于网络拓扑的优劣，很难直接根据拓扑控制的终极目标给出定量的度量。
◆在设计拓扑控制(特别是功率控制)方案时，往往退而追求良好的拓扑性质。
◆希望的拓扑性质：
连通性； 对称性； 平面性； 稀疏性； 节点度的有界性；
有限伸展性。
◆其他考虑的方面：负载均衡、简单性、可靠性、可扩展性等。 拓扑控制的各种设计目标之间有着错综复杂的关系。对这些关系的研究也是 拓扑控制研究的重要内容。
16 AW 1 bits / s 2 L nr
W ---- 节点的最高传输速率；
Δ ---- 大于0的一个常数； L ---- 源节点到目的节点的平均距离 n ---- 是节点数；
r ---- 理想球状无线电发射模型的发射半径。
可见：通过功率控制减小发射半径和通过睡眠调度减小工作网络的规模， 在节省能量的同时，可以在一定程度上提高网络的吞吐能力。
4
实际的功率控制问题比RA问题更为复杂。
◆结论：试图寻找功率控制问题的最优解是不现实的，应该从实际出发， 寻找功率控制问题的实用解。
◆当前已提出一些解决方案，基本思想：通过降低发射功率来延长网络的 生命期。
第五章 拓扑控制
功率控制典型解决方案：
（1）与路由协议结合的功率控制
◆伊利诺斯大学提出。
◆基本思想：所有的传感器节点使用一致的发射功率，在保证网络连通的 前提下，将功率最小化。
这些特点也决定了拓扑控制在WSN研究中的重要性，主要表现在： （1）拓扑控制是一种重要的节能技术； （2）拓扑控制保证覆盖质量和连通质量； （3）拓扑控制能够降低通信干扰、提高MAC(media access control)协议和路 由协议的效率、为数据融合提供拓扑基础； （4）拓扑控制能够提高网络的可靠性、可扩展性等其他性能。总之，拓扑控制 对网络性能具有重大的影响，因而对它的研究具有十分重要的意义。
第五章 拓扑控制
2．连通 ◆传感器网络一般是大规模的，所以传感器节点感知到的数据一般要以多 跳的方式传送到汇聚节点。 ◆这要求拓扑控制必须保证网络的连通性。 K-连通的概念：至少要去掉k个传感器节点才能使网络不连通。 也称网络的连通度为k。
拓扑控制一般要保证网络是连通(1-连通)的。
有些应用可能要求网络配置到指定的连通度。
◆ UDG的连通性是网络能够提供的最大连通性，因此，任何拓扑控制算法 生成的拓扑都是UDG的子图。
◆如果网络中的节点都具有相同的功能，扮演相同的角色，就称网络是非层次 的或平面的，否则就称为是层次型的。
层次型网络通常又称为基于簇的网络。
第五章 拓扑控制
（1）非层次型网络的睡眠调度算法
◆基本思想：每个节点根据自己所能获得的信息，独立地控制自己在工作 状态和睡眠状态之间的转换。 ◆与层次型睡眠调度的主要区别：每个节点都不隶属于某个簇，因而不受 簇头节点的控制和影响。
第五章 拓扑控制
5.2 拓扑控制设计目标与研究现状
5.2.1 拓扑控制的设计目标
1．覆盖
◆覆盖可以看成是对传感器网络服务质量的度量。在覆盖问题中，最重要 的因素是网络对物理世界的感知能力。 ◆覆盖问题分类：
区域覆盖 ---- 研究对目标区域的覆盖(监测)问题； 点覆盖 ---- 研究对一些离散的目标点的覆盖问题； 栅栏覆盖 ---- 研究运动物体穿越网络部署区域被发现的概率问题。
第五章ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ拓扑控制
拓扑控制研究形成等两个主流研究方向：功率控制和睡眠调度。 功率控制----为传感器节点选择合适的发射功率； 睡眠调度----控制传感器节点在工作状态和睡眠状态之间的转换。 根据节点的可移动与否(动态的或静态的)，和部署的可控与否(可控的或不可 控的)，传感器网络拓扑可以分为4类： （1）静态节点、不可控部署：
◆有时也讨论渐近覆盖。
渐近覆盖 ---- 当网络中节点数趋于无穷大时，完全覆盖目标区域的概率趋于1。 ◆对于已部署的静态网络，覆盖控制主要是通过睡眠调度实现的。
Voronoi图是常用的覆盖分析工具。
◆对于动态网络，可以利用节点的移动能力，在初始随机部署后，根据网络覆盖的要求 实现节点的重部署。 虚拟势场方法是一种重要的重部署方法。 覆盖控制是拓扑控制的基本问题。
◆功率控制和睡眠调度是延长网络生命期的十分有效的技术。
◆最大限度地延长网络的生命期是一个十分复杂的问题，它一直是拓扑控 制研究的主要目标。
第五章 拓扑控制
4．吞吐能力 设目标区域是一个凸区域，每个节点的吞吐率为λbits/s，在理想情况下， 则有下面的关系式：
其中： A ---- 目标区域的面积；
第五章 拓扑控制
5.2.2 拓扑控制的研究现状
◆拓扑控制的研究目标： 最大限度地延长网络的生命期。
◆两个研究方向：
功率控制和睡眠调度。 各种拓扑控制算法见下页表。
第五章 拓扑控制
第五章 拓扑控制
1．功率控制 ◆功率控制是一个十分复杂的问题。 希腊佩特雷大学(University of Patras)的Kirousis 等人将其简化为发射范 围分配问题[23]，简称RA(range assignment)问题，并详细讨论了该问题的 计算复杂性。 ◆设N={u1,…,un}是d(d=1,2,3)维空间中代表网络节点位置的点的集合， r(ui)代表节点ui的发射半径。RA问题就是要在保证网络连通的前提下，使网 络的发射功率(各节点的发射功率的总和)最小。 在一维情况下，RA 问题可以在多项式时间内解决；然而在二维和三维情 O(n ) 况下，RA 问题是NP 难的。
第五章 拓扑控制
6．网络延迟 ◆当网络负载较高时，低发射功率会带来较小的端到端延迟；
◆而在低负载情况下，低发射功率会带来较大的端到端延迟。
原因： ◆当网络负载较低时，高发射功率减少了源节点到目的节点的跳数，所以 降低了端到端的延迟； ◆当网络负载较高时，节点对信道的竞争是激烈的，低发射功率由于缓解 了竞争而减小了网络延迟。这是功率控制和网络延迟之间的大致关系。
对区域覆盖的研究较多。
◆ k-覆盖的概念 ---- 指目标区域中的任何一点都被k个传感器节点监测。 也称网络的覆盖度为k。 一般要求目标区域的每一个点至少被一个节点监测，即1-覆盖。
第五章 拓扑控制
◆讨论完全覆盖一个目标区域往往是困难的，所以有时也研究部分覆盖，包括：
部分的1-覆盖； 部分的k-覆盖。
第五章 拓扑控制
郑来波 山东大学信息学院通信研究所 办公室：信息学院北楼513 电话：88362208 Email: zhenglaibo@
第五章 拓扑控制
5.1 概述
WSN一般具有大规模、自组织、随机部署、环境复杂、传感器节点资源有限、 网络拓扑经常发生变化的特点。
这些特点使拓扑控制成为挑战性研究课题。
第五章 拓扑控制
2．睡眠调度 ◆功率控制通过降低节点的发射功率来延长网络的生存时间，但却没有考虑空 闲侦听时的能量消耗和覆盖冗余。 ◆无线通信模块在空闲侦听时的能量消耗与收发状态时相当，覆盖冗余也造成 了很大的能量浪费。 ◆节点睡眠能大幅度地降低网络的能量消耗，对于节点密集型和事件驱动型的 网络十分有效。