無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)功率控制與分簇路由算法研究.pdf

1、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種新型的、無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施的、以數(shù)據(jù)為中心的自組織多跳無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。作為一種新穎的信息獲取技術(shù),無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)有著巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值,并迅速成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn),引起了世界許多國(guó)家軍事部門(mén)、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注。與傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)相比,無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量極其有限,而且往往節(jié)點(diǎn)所處環(huán)境惡劣,能量替換或補(bǔ)充非常困難。因此,如何利用節(jié)點(diǎn)的有限能量來(lái)最大限度的延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間,是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在面向?qū)嶋H應(yīng)用時(shí)需要首先解決的關(guān)

2、鍵問(wèn)題。
　　 論文以提高無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量有效性、網(wǎng)絡(luò)吞吐量及信道利用率等性能為研究目標(biāo),利用功率控制技術(shù)、跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和分簇技術(shù),研究能提高無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)整體性能的分簇路由算法。論文所做的主要研究工作如下:
　　 1.分析和研究了功率控制技術(shù)、分簇路由算法和跨層設(shè)計(jì)。針對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用特點(diǎn),分析了功率控制技術(shù)對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)性能的影響,闡述了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的功率控制機(jī)制及調(diào)度策略,并結(jié)合無(wú)線(xiàn)傳播模型討論了

3、功率控制機(jī)制的實(shí)現(xiàn)方法;針對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)路由特性,分析了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中分簇的層次結(jié)構(gòu),闡述了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的分簇策略及路由選擇,并探討了分簇與功率控制的關(guān)系;針對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu),分析了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本思想及跨層設(shè)計(jì)相關(guān)模型,并探討了功率控制、分簇及跨層之間的關(guān)系,提出了新的跨層設(shè)計(jì)模型。
　　 2.提出了一種基于能量異構(gòu)的分布式成簇路由算法。針對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)能量異構(gòu)問(wèn)題,提出了一種適用于

4、能量異構(gòu)環(huán)境的分布式成簇算法(EHDC算法)。EHDC算法基于簇的本地信息給出了評(píng)估節(jié)點(diǎn)當(dāng)前能量水平的相對(duì)估計(jì)因子,用以調(diào)整節(jié)點(diǎn)在簇頭輪轉(zhuǎn)過(guò)程中出任簇頭的概率及其輪轉(zhuǎn)周期,從而使當(dāng)前高能量節(jié)點(diǎn)獲得更多擔(dān)任簇頭的機(jī)會(huì),實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能量均衡消耗。通過(guò)對(duì)EHDC的簇頭選舉算法優(yōu)化,給出了其改進(jìn)算法(AEHDC算法)。實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果表明,在能量異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中,EHDC算法和AEHDC算法均表現(xiàn)出良好的適應(yīng)性和可擴(kuò)展性,其能量有效性得到了很大的提高,節(jié)

5、點(diǎn)能量消耗更加均衡,大大提高了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。
　　 3.提出了一種基于負(fù)載均衡的分布式定向分簇路由算法。針對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器分簇網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)負(fù)載不均衡的問(wèn)題,提出了一種基于負(fù)載均衡的分布式定向分簇路由算法(DDC算法)。DDC算法基于簇的局部信息對(duì)節(jié)點(diǎn)在下一輪中的能量水平及其負(fù)載能力進(jìn)行預(yù)評(píng)估,并給出了相應(yīng)的預(yù)評(píng)估因子。在每一輪成簇過(guò)程中,首先基于節(jié)點(diǎn)能量預(yù)評(píng)估因子將網(wǎng)絡(luò)分割成適當(dāng)?shù)姆謪^(qū),然后在每個(gè)分區(qū)中,根據(jù)節(jié)點(diǎn)在本輪的負(fù)載能力預(yù)評(píng)

6、估因子選取簇頭,前者可以有效保證各分區(qū)的能量均衡性,后者可以實(shí)現(xiàn)分區(qū)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載平衡。DDC算法通過(guò)將網(wǎng)絡(luò)能量與節(jié)點(diǎn)負(fù)載有機(jī)結(jié)合,來(lái)最大限度的延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果表明,與同類(lèi)算法相比,DDC算法的能量有效性效果顯著,網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)負(fù)載更加均衡。在網(wǎng)絡(luò)初始能量異構(gòu)的情況下,依然表現(xiàn)出良好的適應(yīng)性和可擴(kuò)展性。
　　 4.提出了一種基于最優(yōu)連通功率的穩(wěn)定成簇路由算法。針對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)際部署中網(wǎng)絡(luò)易割裂及熱點(diǎn)區(qū)域節(jié)點(diǎn)密集

7、、競(jìng)爭(zhēng)激烈的情況,提出了一種基于最優(yōu)連通功率的穩(wěn)定成簇算法(SCOC算法)。SCOC算法基于可變功率控制技術(shù)和最優(yōu)鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)解決了最優(yōu)發(fā)射功率、最優(yōu)連通功率問(wèn)題,并基于最優(yōu)鄰居選擇策略實(shí)現(xiàn)了對(duì)節(jié)點(diǎn)最優(yōu)連通功率及其鄰居節(jié)點(diǎn)最優(yōu)發(fā)射功率級(jí)別的分配。最優(yōu)連通功率有效減少了熱點(diǎn)區(qū)域節(jié)點(diǎn)間的沖突域,降低了節(jié)點(diǎn)間的競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度,提高了信道的空間復(fù)用率和網(wǎng)絡(luò)吞吐量。SCOC算法基于最優(yōu)連通功率實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定連通和穩(wěn)定成簇,簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),最大限度地延

8、長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生命周期。實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果表明,基于最優(yōu)連通功率成簇的SCOC算法,有效維持了網(wǎng)絡(luò)的連通性和穩(wěn)定性,具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力,其能量有效性和網(wǎng)絡(luò)有效吞吐量均得到了很大的提高,在提升網(wǎng)絡(luò)的整體性能上作用明顯。
　　 5.提出了一種基于鏈路級(jí)功率控制的分簇路由算法。針對(duì)非均勻網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下鏈路層的能耗控制問(wèn)題,提出了一種基于鏈路級(jí)功率控制的分簇路由算法(CLPC算法)。CLPC算法基于最優(yōu)連通功率成簇,并利用雙信道機(jī)制和干擾反制策略在網(wǎng)

9、絡(luò)層解決鏈路層的沖突重傳及信道訪(fǎng)問(wèn)公平性等問(wèn)題,以期達(dá)到提高網(wǎng)絡(luò)整體性能的目的。最優(yōu)連通功率機(jī)制可以減少網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間的沖突域、降低節(jié)點(diǎn)間的競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度;雙信道機(jī)制則通過(guò)控制信道和數(shù)據(jù)信道分別對(duì)數(shù)據(jù)分組和控制分組進(jìn)行收發(fā),有利于降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)臎_突概率,提高信道的空間復(fù)用率;干擾反制策略通過(guò)對(duì)具有高發(fā)射功率的干擾節(jié)點(diǎn)進(jìn)行反制,來(lái)保障低發(fā)射功率的節(jié)點(diǎn)在共享信道上的公平性。實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果表明,CLPC算法進(jìn)一步改善了網(wǎng)絡(luò)的能量有效性和網(wǎng)絡(luò)有效吞吐量。