能量有效的無線傳感器網(wǎng)絡廣播算法研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡由大量散布在目標區(qū)域的移動節(jié)點以自組織方式構成。節(jié)點既充當主機又充當路由器，由數(shù)據(jù)采集芯片、數(shù)據(jù)處理芯片和數(shù)據(jù)收發(fā)芯片組成，完成目標區(qū)域數(shù)據(jù)的感知、收集、存儲和計算。整個網(wǎng)絡通過節(jié)點間無線信號的多跳轉發(fā)而連接，節(jié)點對收集到的數(shù)據(jù)進行處理優(yōu)化，傳遞給網(wǎng)關節(jié)點，最終通過Internet或無線網(wǎng)絡傳遞給用戶終端。由于節(jié)點的體積有限，因而節(jié)點所攜帶的電池能量也非常有限，所以能量問題在無線傳感器網(wǎng)絡中備受關注，節(jié)能是網(wǎng)絡中各種協(xié)議以

2、及算法設計的首要目標。
　　 廣播操作是無線傳感器網(wǎng)絡中最基本的數(shù)據(jù)傳輸方式，負責控制信息的傳播、時鐘同步、路由發(fā)現(xiàn)等重要操作。最簡單的廣播可以采用泛洪方式，但這種方式存在的冗余轉發(fā)、信號沖突和碰撞過多，很容易引起廣播風暴問題，對于能源極其有限的無線傳感器網(wǎng)絡來說，廣播風暴問題的危害尤其嚴重。因此，高效節(jié)能的廣播算法是無線傳感器網(wǎng)絡的一個研究熱點。目前，國內外研究人員已紛紛提出了各具特色的廣播算法來解決廣播風暴問題。本文的主要研

3、究工作如下：
　　 (1)對無線傳感器網(wǎng)絡的廣播算法進行了詳細的分析比較，并對集中式的基于定向天線的最小能量增量廣播算法D-BIP(Directional BroadcastIncremental Power)進行深入研究，針對其采用不夠靈活的固定波束定向天線模型及算法中約束條件過于單一的問題，提出了它的改進算法--基于自適應定向天線的最小能量增量廣播算法A-D-BIP(Adaptive DirectionalBroadcast

4、 Incremental Power)。這種算法采用自適應波束定向天線模型，波束寬度和方向可以隨著網(wǎng)絡環(huán)境的不同而實時的改變。在選擇轉發(fā)節(jié)點時考慮了多種約束條件，比如能量限制、速度限制、超時限制等，盡量不選擇容易造成網(wǎng)絡拓撲經(jīng)常變化的節(jié)點作為轉發(fā)節(jié)點，從而以最節(jié)能的方式來轉發(fā)廣播消息。并且定期對網(wǎng)絡拓撲進行維護，使每個節(jié)點的退出或者加入都能及時反饋到整個網(wǎng)絡中，保證了廣播消息的正確送達。
　　 (2)由于A-D-BIP算法是一種

5、集中式廣播算法，節(jié)點需要知道全網(wǎng)拓撲信息才能進行廣播，在實際應用中往往因為計算量過大或者需要維護的網(wǎng)絡信息過多而并不可取，針對這一問題我們提出了分布式的基于相對鄰圖RNG(relative neighborhood graph)的定向天線廣播算法D-RBOP(DirectionalRNG Broadcasting Oriented Protocol)的改進算法--基于相對鄰圖的自適應定向天線廣播算法A-D-RBOP(Adaptive D

6、irectional RNG BroadcastingOriented Protocol)。該算法首先利用RNG算法構造相對鄰圖拓撲結構，在該拓撲結構上利用自適應定向天線模型進行廣播，科學的選取波束的大小和方向，使算法在不同的網(wǎng)絡環(huán)境中都表現(xiàn)出良好的性能。
　　 (3)最后應用MATLAB仿真平臺對本文提出的A-D-BIP算法和A-D-RBOP算法進行仿真實驗。首先對D-BIP算法和A-D-BIP算法的能耗、廣播送達率、節(jié)點轉發(fā)