能量有效的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣播算法研究.pdf

1、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量散布在目標(biāo)區(qū)域的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)以自組織方式構(gòu)成。節(jié)點(diǎn)既充當(dāng)主機(jī)又充當(dāng)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(biāo)區(qū)域數(shù)據(jù)的感知、收集、存儲(chǔ)和計(jì)算。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)節(jié)點(diǎn)間無(wú)線信號(hào)的多跳轉(zhuǎn)發(fā)而連接，節(jié)點(diǎn)對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理優(yōu)化，傳遞給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，最終通過(guò)Internet或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳遞給用戶終端。由于節(jié)點(diǎn)的體積有限，因而節(jié)點(diǎn)所攜帶的電池能量也非常有限，所以能量問(wèn)題在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中備受關(guān)注，節(jié)能是網(wǎng)絡(luò)中各種協(xié)議以

2、及算法設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)。
　　 廣播操作是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中最基本的數(shù)據(jù)傳輸方式，負(fù)責(zé)控制信息的傳播、時(shí)鐘同步、路由發(fā)現(xiàn)等重要操作。最簡(jiǎn)單的廣播可以采用泛洪方式，但這種方式存在的冗余轉(zhuǎn)發(fā)、信號(hào)沖突和碰撞過(guò)多，很容易引起廣播風(fēng)暴問(wèn)題，對(duì)于能源極其有限的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，廣播風(fēng)暴問(wèn)題的危害尤其嚴(yán)重。因此，高效節(jié)能的廣播算法是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)外研究人員已紛紛提出了各具特色的廣播算法來(lái)解決廣播風(fēng)暴問(wèn)題。本文的主要研

3、究工作如下：
　　 (1)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣播算法進(jìn)行了詳細(xì)的分析比較，并對(duì)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(jìn)行深入研究，針對(duì)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(guò)于單一的問(wèn)題，提出了它的改進(jìn)算法--基于自適應(yīng)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(yīng)波束定向天線模型，波束寬度和方向可以隨著網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的不同而實(shí)時(shí)的改變。在選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)時(shí)考慮了多種約束條件，比如能量限制、速度限制、超時(shí)限制等，盡量不選擇容易造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣?jīng)常變化的節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，從而以最節(jié)能的方式來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)廣播消息。并且定期對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行維護(hù)，使每個(gè)節(jié)點(diǎn)的退出或者加入都能及時(shí)反饋到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，保證了廣播消息的正確送達(dá)。
　　 (2)由于A-D-BIP算法是一種

5、集中式廣播算法，節(jié)點(diǎn)需要知道全網(wǎng)拓?fù)湫畔⒉拍苓M(jìn)行廣播，在實(shí)際應(yīng)用中往往因?yàn)橛?jì)算量過(guò)大或者需要維護(hù)的網(wǎng)絡(luò)信息過(guò)多而并不可取，針對(duì)這一問(wèn)題我們提出了分布式的基于相對(duì)鄰圖RNG(relative neighborhood graph)的定向天線廣播算法D-RBOP(DirectionalRNG Broadcasting Oriented Protocol)的改進(jìn)算法--基于相對(duì)鄰圖的自適應(yīng)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(gòu)造相對(duì)鄰圖拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上利用自適應(yīng)定向天線模型進(jìn)行廣播，科學(xué)的選取波束的大小和方向，使算法在不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中都表現(xiàn)出良好的性能。
　　 (3)最后應(yīng)用MATLAB仿真平臺(tái)對(duì)本文提出的A-D-BIP算法和A-D-RBOP算法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。首先對(duì)D-BIP算法和A-D-BIP算法的能耗、廣播送達(dá)率、節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)