無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中vMIMO路由的能量有效性研究.pdf

1、隨著信息技術(shù)和移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，人與人、人與物、物與物的聯(lián)系正在逐漸加深。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)作為推動物聯(lián)網(wǎng)蓬勃發(fā)展的關(guān)鍵性技術(shù)，吸引了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。作為一種新的網(wǎng)絡(luò)形態(tài)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)架起了人與物信息交流的橋梁，在醫(yī)療護理、環(huán)境監(jiān)測、軍事安全等領(lǐng)域獲得豐碩的應(yīng)用成果。然而，在大規(guī)模應(yīng)用部署之前傳感器網(wǎng)絡(luò)仍然受到一些關(guān)鍵性問題的困擾，特別是能效問題，嚴重影響網(wǎng)絡(luò)的部署規(guī)模，制約網(wǎng)絡(luò)使用壽命。
　　傳感器結(jié)點往往體

2、積小、結(jié)構(gòu)簡單，攜帶的能量有限。在能源補充、替換手段受到環(huán)境因素制約時，降低節(jié)點能耗，提高能量有效性成為延長網(wǎng)絡(luò)壽命的主要途徑。在眾多節(jié)能方案中，基于虛擬多輸入多輸出(vMIMO)技術(shù)的能效路由逐漸成為研究熱點。本文基于大量vMIMO路由的研究成果，針對當(dāng)前研究中普遍存在的不足，構(gòu)建了一個簡潔有效的vMIMO傳輸模型并開展能量有效的路由研究。本文的傳輸模型擺脫了固定結(jié)構(gòu)如分簇的約束，放開了合作傳輸模式的自由選擇，從而保證相關(guān)算法能夠充分

3、發(fā)掘空間分集帶來的能效優(yōu)勢。在此之上，本文針對能效的能量、生命期優(yōu)化問題分別展開路由方案與算法設(shè)計:
　　(1)基于vMIMO的能量最小路由問題。該問題關(guān)注路由過程中各節(jié)點的整體能耗水平，要求路由方案尋找一條從源節(jié)點到目的節(jié)點的最節(jié)能轉(zhuǎn)發(fā)路徑。針對此問題，本文基于Bellman-Ford算法，提出了一個分布式的能量最小的vMIMO路由算法(DEMVA)。它通過構(gòu)造虛擬合作圖來轉(zhuǎn)化vMIMO傳輸中節(jié)點間的合作關(guān)系，形成統(tǒng)一的路由計算

4、，最后分布式求解得到能耗最少的路由。從虛擬合作圖中的節(jié)點、鏈路組成入手，本文給出了該算法時間復(fù)雜度和消息復(fù)雜度的詳細分析。實驗結(jié)果表明，本算法能夠充分挖掘節(jié)點間的vMIMO合作傳輸關(guān)系，實現(xiàn)最優(yōu)的算法性能。例如，該算法比傳統(tǒng)的路由方案平均可以節(jié)省30％左右的能量消耗。
　　(2)基于vMIMO的生命期最優(yōu)路由問題。當(dāng)vMIMO路由僅關(guān)注總體的能量消耗，而忽略路徑中節(jié)點的剩余能量水平時，隨著時間的推移網(wǎng)絡(luò)中將會出現(xiàn)路由中斷、拓撲變動

5、等問題，從而影響節(jié)能的實際效果。因此，本文從路由生命期優(yōu)化的角度進一步探究能量有效性，提出了一個分布式的面向生命期優(yōu)化的vMIMO路由算法(DLOVA)。該算法首先借鑒最短路徑算法思想，計算非合作條件下的生命期最優(yōu)路由，在此之上構(gòu)建節(jié)點間的vMIMO合作傳輸，通過多次迭代不斷延長路由的生命期。經(jīng)過理論分析，該算法能夠?qū)崿F(xiàn)近似比為4的性能保證。實驗結(jié)果表明，本算法展現(xiàn)出明顯的性能優(yōu)勢，例如在密集拓撲下，相對于協(xié)作通信中的路由算法平均可以延