基于分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量空洞問題研究.pdf

1、近年來隨著無線通信、集成電路、傳感器以及微型機電系統(tǒng)(MEMS)等技術(shù)的飛速發(fā)展，使得低成本低功耗、多功能的微型無線傳感器的大規(guī)模生產(chǎn)成為可能。由這些具有無線通信、數(shù)據(jù)采集和處理、協(xié)同合作等功能的微型傳感器組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSNs)具有非常廣闊的應(yīng)用前景和研究空間。
　　 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是能量受限的網(wǎng)絡(luò)，如何高效節(jié)能以最大化網(wǎng)絡(luò)的生存周期是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究面臨的首要挑戰(zhàn)。

2、基于監(jiān)測應(yīng)用的數(shù)據(jù)收集式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有集中式數(shù)據(jù)收集、多跳數(shù)據(jù)傳輸和多對一數(shù)據(jù)流模式的特點，這些固有的特點容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中負載過高的節(jié)點能耗速度過快，造成能量空洞，使整個網(wǎng)絡(luò)過早死亡或陷于癱瘓。相關(guān)研究表明，均衡網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點的能量消耗能夠高效利用網(wǎng)絡(luò)能量最大化網(wǎng)絡(luò)生存周期。
　　 本文首先介紹了目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能機制方面國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，重點分析了現(xiàn)有解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量空洞問題的方法。其次，從理論上分析了能量空洞問題的可

3、避免性和經(jīng)典的LEACH協(xié)議，指出了LEACH協(xié)議在簇頭分布不均、簇頭開銷過大以及簇頭與Sink節(jié)點單跳通信耗能過大的缺點。在分析基于負載均衡的分簇策略和基于概率向量的均勻分簇策略在解決上述問題思想方法的基礎(chǔ)上，給出了基于能耗均衡的非均勻分簇策略。其核心思想是通過分簇拓撲控制來提高網(wǎng)絡(luò)能量利用效率，均衡網(wǎng)絡(luò)能量消耗，解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量空洞問題，延長網(wǎng)絡(luò)生存周期。本策略綜合考慮了簇內(nèi)通信和簇間通信的相互影響，保證了簇頭節(jié)點與Sink

4、節(jié)點端到端鏈路的可靠性，提出等效距離的原則來確定簇頭節(jié)點的位置，通過數(shù)學(xué)分析建模將均衡網(wǎng)絡(luò)能耗、最大化網(wǎng)絡(luò)生存周期問題歸納為幾何規(guī)劃中標(biāo)準(zhǔn)的符號優(yōu)化問題，利用最速梯度下降法求解得到模型的最優(yōu)解來確定簇的大小。通過實驗對本策略與基于負載均衡的分簇策略和基于概率向量的均勻分簇策略進行了分析比較，結(jié)果顯示本策略能有效降低網(wǎng)絡(luò)能量剩余率，延長網(wǎng)絡(luò)的生存周期。最后通過在OPNET上搭建了基于IEEE802.15.4協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)仿真平臺驗證