能量有效的無線傳感器網絡路由算法研究.pdf

1、無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks, WSNs)的路由算法與傳統(tǒng)網絡不同,不但要完成從源節(jié)點到目的節(jié)點的路由發(fā)現,還負責組織整個網絡的節(jié)點激活到路由維持以及數據傳輸各個方面的工作,是推廣WSNs應用,提升網絡效率的重要方法,也是目前WSNs領域的研究熱點。能量有效性是WSNs體系中衡量路由算法的重要指標,因為在無線傳感器網絡中,傳感節(jié)點都是由片上電池供電,能源受限,因此如何最大限度的利用這些能源使之發(fā)揮最大

2、效果,成為提升網路性能的關鍵;而現有的對改善能量有效性的研究有很多,有的只注重在路由發(fā)現與維持階段的性能提升,有的著眼于快速高效的發(fā)現節(jié)點,有的則側重于減少冗余數據的傳輸;很少有研究從整個網絡層出發(fā),利用路由算法全面的提升能量有效性。
　　本文從WSNs激活階段、路由發(fā)現階段到信息穩(wěn)定傳輸階段,針對不同階段的特點做出全面的分析,對節(jié)點的位置發(fā)現、路由路徑的建立與更新、數據融合等算法進行了研究,將路由各個階段的算法整合,全面提升網絡

3、的能量有效性。在研究過程中進行了以下創(chuàng)新:
　　1.論文完成了通用的WSNs網絡模型的定義。通過對網路模型的分析,發(fā)現現有的面向WSNs的研究大都存在節(jié)點功能過強,結構不靈活,面向具體應用設計的問題,進而導致基于這些模型研究的算法通用性較差;基于這一情況,提出了面向標準化應用的無線傳感器網絡模型定義。本文對模型中節(jié)點的功能盡量弱化,網絡的結構不加限制,更加靈活,明確軟件協(xié)議與節(jié)點硬件的功能界限:在網絡中不設置錨點,傳感節(jié)點不具備定

4、位能力,節(jié)點隨機部署,節(jié)點間的坐標系不統(tǒng)一,初始狀態(tài)完全一致,節(jié)點的信道沖突由 MAC協(xié)議完成,片上系統(tǒng)能夠確定信號發(fā)射能量。
　　2.提出了高效無錨點的節(jié)點快速定位算法。這一部分的工作是將網絡中隨機部署的傳感節(jié)點進行激活,并幫助這些節(jié)點進行定位。包括兩部分內容,一是利用剛性圖理論,將網絡的結構轉換為圖的全局剛性判斷問題,證明定位算法的可行性,并提出算法的先決條件;二是設計從sink節(jié)點出發(fā),不需借助錨點,利用無線信道信號衰減公式

5、和角度測量器的方法獲得相鄰節(jié)點間的距離與角度信息,然后在滿足剛性圖限制的情況下,進行全網節(jié)點的發(fā)現與定位。在定位準確的前提下,信息傳輸次數少,除sink節(jié)點外沒有大規(guī)模廣播操作,大大降低了初始化階段的能耗。
　　3.在節(jié)點定位獲得的位置信息基礎上,提出了能量有效的分層路由算法。先是在已有的聚簇算法中引入了節(jié)點剩余能量因素,設計了能量相關的 HAC聚簇算法;在此基礎上設計了半靜態(tài)的分層路由算法,即先對所有傳感節(jié)點進行聚簇,在形成的簇

6、內根據能量狀態(tài)和通信代價選舉簇頭,進行簇頭輪換時,不必重新聚簇,而是在簇內重新選擇合適的節(jié)點充當簇頭,當存在簇內節(jié)點能量消耗過大的情況時,進行全局的重新聚簇;設計了特殊的數據包格式和簇內節(jié)點的管理鏈表,在信息傳遞的同時利用數據包更新節(jié)點鏈表信息,保證了節(jié)點能量信息的實時性和準確性,并且對節(jié)點的異常情況可以及時發(fā)現。經過理論證明和實驗模擬,算法有效的解決了無線傳感器網絡路由算法中的“熱點問題”和“能量洞”問題,具有良好的能量有效性。

7、>　　4.在分層路由算法的結構基礎上,提出了高效的數據融合算法。提高信息過濾效率主要通過優(yōu)化設置過濾點和選擇高效的信息過濾模式實現。論文首先對信息過濾方式進行改進,將基于等待的過濾方式改為基于隊列的方式,在過濾點設置動態(tài)隊列,存儲最近轉發(fā)的信息,每次有新的信息到來將與隊列中的信息比較判斷,并且不斷更新隊列信息;而隊列的設置采用彈性機制,即信息轉發(fā)密度大的區(qū)域將自動加長隊列,反之將減少隊列長度;過濾點放置在分層路由時形成的簇頭節(jié)點上,并根

8、據簇頭到sink的距離反比設置初始隊列長度。與基于等待方式相比,隊列的方式可以保證信息傳輸的實時性,而彈性的隊列長度減輕了節(jié)點的存儲壓力,同時信息過濾的準確性和完備性也大大提高,從而減少了冗余數據的發(fā)送,節(jié)省了網絡能耗。
　　雖然本文研究了三個不同的算法,分別對應于WSNs路由的三個階段,但是這些算法都是為了提升網絡的能量有效性,延長網絡生命周期,可以將三個算法整合為一個整體:節(jié)點定位算法是第一部分,算法的輸入是隨機部署在傳感區(qū)域

9、內的大量未知節(jié)點,輸出是已經激活、已知自己與鄰居節(jié)點準確位置的節(jié)點集合;第二部分是路由算法,輸入是已知位置的節(jié)點集合,輸出是聚簇完成,簇頭選舉完畢,可以進行信息傳輸的網絡結構;第三步部分是數據融合算法,輸入是可以路由的節(jié)點集合以及感應到的信息,輸出是最終發(fā)送到sink節(jié)點的信息。
　　綜上所述,本文對WSNs的路由算法進行了全面的分析,從網絡部署后的各個階段入手,針對路由中不同階段的特點,分別分析了提升能量有效性所需要解決的問題,