傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)能路由算法研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取和信息處理、傳輸技術(shù),通常包含大量的可自組織成多跳無線網(wǎng)絡(luò)的分布式傳感器節(jié)點.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有組網(wǎng)快捷、靈活,且不受有線網(wǎng)絡(luò)約束的優(yōu)點,可用于緊急搜索、災(zāi)難救助、軍事、醫(yī)療等環(huán)境中,具有廣泛的應(yīng)用前景.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)己經(jīng)引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視,被稱為是21世紀(jì)最有發(fā)展前景的技術(shù)之一. 和傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)相比,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有能量約束、冗余高的低數(shù)據(jù)率數(shù)據(jù)和多對一的數(shù)據(jù)流等特點.能量有效性是

2、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要性能指標(biāo).根據(jù)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量管理策略的分析,影響能量消耗的主要因素有:感知數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理和無線電通信,其中無線電通信是能量消耗的最主要的環(huán)節(jié).無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量有效性的實現(xiàn)雖然可以在通信協(xié)議棧的不同層加以改進(jìn),但由于基礎(chǔ)物理層的局限,改進(jìn)主要在網(wǎng)絡(luò)層通信協(xié)議的設(shè)計與實現(xiàn). 本文致力于研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由節(jié)能問題.文章在分析和比較傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的基礎(chǔ)上,針對不同的應(yīng)用背景,設(shè)計了三個路由協(xié)議算法:基

3、于數(shù)據(jù)融合樹的低功耗路由算法、基于簇的多跳高效節(jié)能路由算法和異構(gòu)能量有效分簇算法.前兩種算法是在節(jié)點同構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計出來的,它們的應(yīng)用角度不同,前一種適合于中小傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)模,而第二種適合大規(guī)模的傳感器網(wǎng)絡(luò);第三個算法主要針對節(jié)點能量異構(gòu)的情況提出的.為了驗證所做的工作的效能,文中通過NS-2仿真工具進(jìn)行功能驗證和性能考察.本文的主要工作和創(chuàng)新點如下:1、現(xiàn)有的傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議分類和比較. 根據(jù)不同應(yīng)用對傳感器網(wǎng)絡(luò)各種特性敏感程

4、度,將現(xiàn)有的路由協(xié)議進(jìn)行了分類并對主要路由協(xié)議詳細(xì)的分析,此外,文章還從傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議性能角度對現(xiàn)有的協(xié)議進(jìn)行了比較,同時發(fā)現(xiàn)基于層次的路由協(xié)議要比其他協(xié)議節(jié)能效果都要好,能有效地平衡整個傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量、延長了整個網(wǎng)絡(luò)的生存周期.2、基于數(shù)據(jù)融合樹的低功耗路由算法-DATEE算法. 文章將組播路由中最短路徑算法運(yùn)用到傳感器網(wǎng)絡(luò)中,構(gòu)造出數(shù)據(jù)融合樹,當(dāng)源節(jié)點到某節(jié)點的最短路徑不唯一時,算法總是選擇一條與其他源節(jié)點的共享路徑最長

5、的最短路徑,這樣所構(gòu)造的數(shù)據(jù)融合樹的總消耗降低.當(dāng)源節(jié)點探測到感興趣的數(shù)據(jù)后通過構(gòu)造的數(shù)據(jù)融合樹傳遞給sink節(jié)點.實驗表明,該算法能夠很好地適應(yīng)由于節(jié)點失效或節(jié)點移動而引起的拓?fù)渥兓?在平均能耗、生命周期以及時間延遲方面表現(xiàn)出了良好的性能.3、基于簇的多跳高效節(jié)能路由算法-MHEEC算法.文章在基于層次路由協(xié)議的基礎(chǔ)上,提出了一種多跳的高效節(jié)能的分簇算法一MHEEC.算法中節(jié)點根據(jù)其當(dāng)前能量來競爭簇頭,為了減小簇成員的能量開銷,簇的覆

6、蓋局限在一定范圍內(nèi),同時在簇的區(qū)域內(nèi)加入了休眠機(jī)制;簇頭之間建立路由樹以多跳方式將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合后發(fā)送到父簇頭節(jié)點,然后通過該節(jié)點將整個網(wǎng)絡(luò)收集的數(shù)據(jù)發(fā)送到sink節(jié)點,這樣簇頭就可以避免因為進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸而造成過早的死亡.實驗結(jié)果顯示,該算法和LEACH協(xié)議相比較,可以很好的節(jié)省能量開銷,具有良好的性能. 4、在異構(gòu)的傳感器網(wǎng)絡(luò)下,提出了能量異構(gòu)的分布式高效節(jié)能路由算法-DEHC算法. 本算法是為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計的.

7、它采用了LEACH的簇頭輪轉(zhuǎn)思想,讓簇頭節(jié)點的選舉與節(jié)點當(dāng)前能量直接相關(guān),通過估計網(wǎng)絡(luò)節(jié)點平均能量的估計值作為參考值,根據(jù)當(dāng)前能量與參考值的比值自適應(yīng)地調(diào)整簇頭輪轉(zhuǎn)周期,較高初始能量和當(dāng)前能量的節(jié)點比低能量節(jié)點可用于更多的機(jī)會成為簇頭節(jié)點,從而延長網(wǎng)絡(luò)的生存周期.仿真實驗表明,在異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)下,該算法與現(xiàn)有的主要成簇協(xié)議相比,提供了更長的網(wǎng)絡(luò)生存周期. 上述三個算法與LEACH算法相比都具有良好的路由性能.在同構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)中,與