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

1、伴隨低功耗無線通信技術(shù)、微型傳感器技術(shù)、微機(jī)電技術(shù)、嵌入式技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展而產(chǎn)生的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，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(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景，是當(dāng)前計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)研究的一個極為重要的創(chuàng)新領(lǐng)域。設(shè)計(jì)符合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)的數(shù)據(jù)路由技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的重要內(nèi)容。分簇路由協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)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(wǎng)絡(luò)的通信特點(diǎn)，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(gòu)造能耗性能最優(yōu)簇群等問題，影響了網(wǎng)絡(luò)的生存期。本文在對當(dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議成果的系統(tǒng)學(xué)習(xí)和總結(jié)基礎(chǔ)上，對分簇路由協(xié)議中有關(guān)網(wǎng)絡(luò)能耗分布、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間低能耗數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)和簇群構(gòu)造等相關(guān)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(wǎng)

3、絡(luò)中，距離匯集節(jié)點(diǎn)較近的簇頭需要轉(zhuǎn)發(fā)距離較遠(yuǎn)的簇群的感知信息，轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)量大，能耗高，節(jié)點(diǎn)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(diǎn)之間距離的遠(yuǎn)近來確定簇群的范圍，靠近匯集節(jié)點(diǎn)的簇群由于轉(zhuǎn)發(fā)能耗高而具有較小的范圍，以降低簇群內(nèi)部能耗，彌補(bǔ)轉(zhuǎn)發(fā)能耗；而遠(yuǎn)離匯集節(jié)點(diǎn)的簇群因轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)量小，而具有較大的范圍，覆蓋更多的節(jié)點(diǎn)，增大簇群自身能耗，實(shí)現(xiàn)簇群自身能耗與轉(zhuǎn)發(fā)能耗之間的平衡，消除網(wǎng)絡(luò)中的“熱點(diǎn)問題”。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明

4、，ECRC算法在能耗和生存期性能指標(biāo)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(jié)合了數(shù)據(jù)融合技術(shù)，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(wǎng)絡(luò)應(yīng)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汀６喙?jié)點(diǎn)共同參與的協(xié)作MIMO數(shù)據(jù)傳輸方式與分簇路由技術(shù)相結(jié)合，是設(shè)計(jì)低能耗數(shù)據(jù)路由的發(fā)展方向。為研究MIMO技術(shù)在多跳傳感器網(wǎng)絡(luò)中的能耗情況，本文提出的能量消耗分析模型，可以將復(fù)雜

5、的MIMO模式下能耗問題轉(zhuǎn)化為易于求解的SISO通信模式下的最優(yōu)化問題，從而計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)能耗最小時的系統(tǒng)參數(shù)值，實(shí)現(xiàn)了通信能耗與電路能耗的共同優(yōu)化。仿真結(jié)果表明，通過選擇最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，在多跳的分簇?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)中利用MIMO技術(shù)能顯著地降低網(wǎng)絡(luò)能耗，延長網(wǎng)絡(luò)的生存期。
　　 ⑶提出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗最優(yōu)簇群的構(gòu)造策略。簇群內(nèi)部的通信模式和簇群的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(wǎng)絡(luò)能耗最小時，節(jié)點(diǎn)通信半徑的表達(dá)式；簇群內(nèi)采用多跳通信模式時，建立最小能耗多跳鏈路，實(shí)現(xiàn)簇群內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)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(diǎn)部署密度不均勻的情況下，能耗均勻的簇群構(gòu)造方法。該方法兼顧了成員節(jié)點(diǎn)與簇頭的通信能耗以及各個簇群自身的能耗負(fù)載，實(shí)現(xiàn)了各簇群間能耗的平衡。仿真結(jié)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(wǎng)絡(luò)低功耗的要求。
　　 ⑷提出了分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)標(biāo)識生