無線傳感器網絡低功耗數(shù)據(jù)路由協(xié)議與傳輸技術研究.pdf

1、伴隨低功耗無線通信技術、微型傳感器技術、微機電技術、嵌入式技術和計算機網絡技術發(fā)展而產生的無線傳感器網絡，是一種新型的數(shù)據(jù)采集手段，在國防、環(huán)境和醫(yī)療等領域都具有廣泛的應用前景，是當前計算機網絡研究的一個極為重要的創(chuàng)新領域。設計符合無線傳感器網絡特點的數(shù)據(jù)路由技術是無線傳感器網絡研究的重要內容。分簇路由協(xié)議在網絡擴展性、通信效率和能耗性能等方面所具有的明顯優(yōu)勢，成為路由協(xié)議重要的發(fā)展方向。由于傳感器網絡的通信特點，分簇路由協(xié)議存在能耗分

2、布不均衡、簇群之間通信能耗高以及構造能耗性能最優(yōu)簇群等問題，影響了網絡的生存期。本文在對當前無線傳感器網絡路由協(xié)議成果的系統(tǒng)學習和總結基礎上，對分簇路由協(xié)議中有關網絡能耗分布、網絡節(jié)點之間低能耗數(shù)據(jù)傳輸技術和簇群構造等相關問題展開了研究，取得了以下創(chuàng)新性成果：
　　 ⑴提出了能量均衡的簇群范圍控制算法ECRC（Energy-balanced ClusterRanRe Control algorithm）。在基于分簇的多跳傳感器網

3、絡中，距離匯集節(jié)點較近的簇頭需要轉發(fā)距離較遠的簇群的感知信息，轉發(fā)數(shù)據(jù)量大，能耗高，節(jié)點的生存期短，造成簇群之間能耗的不均衡。ECRC算法根據(jù)各個簇群與匯集節(jié)點之間距離的遠近來確定簇群的范圍，靠近匯集節(jié)點的簇群由于轉發(fā)能耗高而具有較小的范圍，以降低簇群內部能耗，彌補轉發(fā)能耗；而遠離匯集節(jié)點的簇群因轉發(fā)數(shù)據(jù)量小，而具有較大的范圍，覆蓋更多的節(jié)點，增大簇群自身能耗，實現(xiàn)簇群自身能耗與轉發(fā)能耗之間的平衡，消除網絡中的“熱點問題”。實驗結果表明

4、，ECRC算法在能耗和生存期性能指標方面不但比簇群范圍相同的路由算法具有明顯優(yōu)勢，而且，由于結合了數(shù)據(jù)融合技術，ECRC算法還優(yōu)于相同思想的EEUC算法，特別適用于大規(guī)模的無線傳感器網絡應用。
　　 ⑵提出了協(xié)作MIMO模式數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰肯姆治瞿Ｐ?。多?jié)點共同參與的協(xié)作MIMO數(shù)據(jù)傳輸方式與分簇路由技術相結合，是設計低能耗數(shù)據(jù)路由的發(fā)展方向。為研究MIMO技術在多跳傳感器網絡中的能耗情況，本文提出的能量消耗分析模型，可以將復雜

5、的MIMO模式下能耗問題轉化為易于求解的SISO通信模式下的最優(yōu)化問題，從而計算出網絡能耗最小時的系統(tǒng)參數(shù)值，實現(xiàn)了通信能耗與電路能耗的共同優(yōu)化。仿真結果表明，通過選擇最優(yōu)的網絡參數(shù)，在多跳的分簇無線傳感器網絡中利用MIMO技術能顯著地降低網絡能耗，延長網絡的生存期。
　　 ⑶提出了無線傳感器網絡能耗最優(yōu)簇群的構造策略。簇群內部的通信模式和簇群的拓撲結構決定了簇群的能耗。本文解決了以下三個簇群能耗問題：單跳、多跳兩種通信模式下，

6、網絡能耗最小時，節(jié)點通信半徑的表達式；簇群內采用多跳通信模式時，建立最小能耗多跳鏈路，實現(xiàn)簇群內成員節(jié)點與簇頭通信能耗的最小化，降低整個簇群的能耗；提出一種在簇頭和普通節(jié)點部署密度不均勻的情況下，能耗均勻的簇群構造方法。該方法兼顧了成員節(jié)點與簇頭的通信能耗以及各個簇群自身的能耗負載，實現(xiàn)了各簇群間能耗的平衡。仿真結果顯示，以上三種方法都能顯著地降低簇群的能耗，滿足傳感器網絡低功耗的要求。
　　 ⑷提出了分布式傳感器網絡節(jié)點標識生