傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)能路由算法研究.pdf

1、無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的分布式傳感器節(jié)點(diǎn).無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)具有組網(wǎng)快捷、靈活,且不受有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)約束的優(yōu)點(diǎn),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(wú)線(xiàn)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(chēng)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)相比,無(wú)線(xiàn)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(duì)一的數(shù)據(jù)流等特點(diǎn).能量有效性是

2、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要性能指標(biāo).根據(jù)對(duì)無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)電通信,其中無(wú)線(xiàn)電通信是能量消耗的最主要的環(huán)節(jié).無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)能量有效性的實(shí)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(jì)與實(shí)現(xiàn). 本文致力于研究無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由節(jié)能問(wèn)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(duì)不同的應(yīng)用背景,設(shè)計(jì)了三個(gè)路由協(xié)議算法:基

3、于數(shù)據(jù)融合樹(shù)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(diǎn)同構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出來(lái)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(gè)算法主要針對(duì)節(jié)點(diǎn)能量異構(gòu)的情況提出的.為了驗(yàn)證所做的工作的效能,文中通過(guò)NS-2仿真工具進(jìn)行功能驗(yàn)證和性能考察.本文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下:1、現(xiàn)有的傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議分類(lèi)和比較. 根據(jù)不同應(yīng)用對(duì)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(lèi)并對(duì)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(duì)現(xiàn)有的協(xié)議進(jìn)行了比較,同時(shí)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(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量、延長(zhǎng)了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存周期.2、基于數(shù)據(jù)融合樹(shù)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(shù),當(dāng)源節(jié)點(diǎn)到某節(jié)點(diǎn)的最短路徑不唯一時(shí),算法總是選擇一條與其他源節(jié)點(diǎn)的共享路徑最長(zhǎng)

5、的最短路徑,這樣所構(gòu)造的數(shù)據(jù)融合樹(shù)的總消耗降低.當(dāng)源節(jié)點(diǎn)探測(cè)到感興趣的數(shù)據(jù)后通過(guò)構(gòu)造的數(shù)據(jù)融合樹(shù)傳遞給sink節(jié)點(diǎn).實(shí)驗(yàn)表明,該算法能夠很好地適應(yīng)由于節(jié)點(diǎn)失效或節(jié)點(diǎn)移動(dòng)而引起的拓?fù)渥兓?在平均能耗、生命周期以及時(shí)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(diǎn)根據(jù)其當(dāng)前能量來(lái)競(jìng)爭(zhēng)簇頭,為了減小簇成員的能量開(kāi)銷(xiāo),簇的覆

6、蓋局限在一定范圍內(nèi),同時(shí)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(shù)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(diǎn),然后通過(guò)該節(jié)點(diǎn)將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)收集的數(shù)據(jù)發(fā)送到sink節(jié)點(diǎn),這樣簇頭就可以避免因?yàn)檫M(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸而造成過(guò)早的死亡.實(shí)驗(yàn)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(kāi)銷(xiāo),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(jì)的.

7、它采用了LEACH的簇頭輪轉(zhuǎn)思想,讓簇頭節(jié)點(diǎn)的選舉與節(jié)點(diǎn)當(dāng)前能量直接相關(guān),通過(guò)估計(jì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)平均能量的估計(jì)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(diǎn)比低能量節(jié)點(diǎn)可用于更多的機(jī)會(huì)成為簇頭節(jié)點(diǎn),從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存周期.仿真實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)生存周期. 上述三個(gè)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