無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中vMIMO路由的能量有效性研究.pdf

1、隨著信息技術(shù)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，人與人、人與物、物與物的聯(lián)系正在逐漸加深。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)作為推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)蓬勃發(fā)展的關(guān)鍵性技術(shù)，吸引了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。作為一種新的網(wǎng)絡(luò)形態(tài)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)架起了人與物信息交流的橋梁，在醫(yī)療護(hù)理、環(huán)境監(jiān)測(cè)、軍事安全等領(lǐng)域獲得豐碩的應(yīng)用成果。然而，在大規(guī)模應(yīng)用部署之前傳感器網(wǎng)絡(luò)仍然受到一些關(guān)鍵性問(wèn)題的困擾，特別是能效問(wèn)題，嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)的部署規(guī)模，制約網(wǎng)絡(luò)使用壽命。
　　傳感器結(jié)點(diǎn)往往體

2、積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，攜帶的能量有限。在能源補(bǔ)充、替換手段受到環(huán)境因素制約時(shí)，降低節(jié)點(diǎn)能耗，提高能量有效性成為延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命的主要途徑。在眾多節(jié)能方案中，基于虛擬多輸入多輸出(vMIMO)技術(shù)的能效路由逐漸成為研究熱點(diǎn)。本文基于大量vMIMO路由的研究成果，針對(duì)當(dāng)前研究中普遍存在的不足，構(gòu)建了一個(gè)簡(jiǎn)潔有效的vMIMO傳輸模型并開(kāi)展能量有效的路由研究。本文的傳輸模型擺脫了固定結(jié)構(gòu)如分簇的約束，放開(kāi)了合作傳輸模式的自由選擇，從而保證相關(guān)算法能夠充分

3、發(fā)掘空間分集帶來(lái)的能效優(yōu)勢(shì)。在此之上，本文針對(duì)能效的能量、生命期優(yōu)化問(wèn)題分別展開(kāi)路由方案與算法設(shè)計(jì):
　　(1)基于vMIMO的能量最小路由問(wèn)題。該問(wèn)題關(guān)注路由過(guò)程中各節(jié)點(diǎn)的整體能耗水平，要求路由方案尋找一條從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的最節(jié)能轉(zhuǎn)發(fā)路徑。針對(duì)此問(wèn)題，本文基于Bellman-Ford算法，提出了一個(gè)分布式的能量最小的vMIMO路由算法(DEMVA)。它通過(guò)構(gòu)造虛擬合作圖來(lái)轉(zhuǎn)化vMIMO傳輸中節(jié)點(diǎn)間的合作關(guān)系，形成統(tǒng)一的路由計(jì)算

4、，最后分布式求解得到能耗最少的路由。從虛擬合作圖中的節(jié)點(diǎn)、鏈路組成入手，本文給出了該算法時(shí)間復(fù)雜度和消息復(fù)雜度的詳細(xì)分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本算法能夠充分挖掘節(jié)點(diǎn)間的vMIMO合作傳輸關(guān)系，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的算法性能。例如，該算法比傳統(tǒng)的路由方案平均可以節(jié)省30％左右的能量消耗。
　　(2)基于vMIMO的生命期最優(yōu)路由問(wèn)題。當(dāng)vMIMO路由僅關(guān)注總體的能量消耗，而忽略路徑中節(jié)點(diǎn)的剩余能量水平時(shí)，隨著時(shí)間的推移網(wǎng)絡(luò)中將會(huì)出現(xiàn)路由中斷、拓?fù)渥儎?dòng)

5、等問(wèn)題，從而影響節(jié)能的實(shí)際效果。因此，本文從路由生命期優(yōu)化的角度進(jìn)一步探究能量有效性，提出了一個(gè)分布式的面向生命期優(yōu)化的vMIMO路由算法(DLOVA)。該算法首先借鑒最短路徑算法思想，計(jì)算非合作條件下的生命期最優(yōu)路由，在此之上構(gòu)建節(jié)點(diǎn)間的vMIMO合作傳輸，通過(guò)多次迭代不斷延長(zhǎng)路由的生命期。經(jīng)過(guò)理論分析，該算法能夠?qū)崿F(xiàn)近似比為4的性能保證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本算法展現(xiàn)出明顯的性能優(yōu)勢(shì)，例如在密集拓?fù)湎?，相?duì)于協(xié)作通信中的路由算法平均可以延