無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量高效分簇拓?fù)淇刂蒲芯?pdf

1、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSNs（Wireless SensorNetworks）是近些年來(lái)迅速發(fā)展的一種新型信息感知和獲取方式，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、軍事偵查、醫(yī)療診斷以及物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。拓?fù)淇刂剖菬o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，它通過(guò)改善網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為其它網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和應(yīng)用提供基礎(chǔ)平臺(tái)，從而提高網(wǎng)絡(luò)性能。作為一種能量受限且工作環(huán)境復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，能量利用效率一直是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的最大問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂茝膬?yōu)化網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)出發(fā)，從而對(duì)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)收集

2、和路由、節(jié)點(diǎn)管理與調(diào)度等產(chǎn)生積極影響，對(duì)于降低和均衡網(wǎng)絡(luò)能耗、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期、提高網(wǎng)絡(luò)的能量利用效率具有重要意義?；趯哟涡屯?fù)淇刂频姆执赝負(fù)渚W(wǎng)絡(luò)通過(guò)簇頭節(jié)點(diǎn)對(duì)簇成員節(jié)點(diǎn)的感知數(shù)據(jù)進(jìn)行融合和轉(zhuǎn)發(fā)，能有效地簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)操作與信息的獲取，降低無(wú)線通訊的能量開(kāi)銷(xiāo)。相對(duì)于平面拓?fù)淇刂疲瑢哟涡头执赝負(fù)涓蠠o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于數(shù)據(jù)的路由需求，特別是針對(duì)網(wǎng)絡(luò)中大量存在冗余數(shù)據(jù)這一特點(diǎn)，具有更高的能量效率和更好的擴(kuò)展性，也更適合于管理大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。本文針對(duì)

3、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于分簇的拓?fù)淇刂频墓?jié)能優(yōu)化方法進(jìn)行了研究，以提高網(wǎng)絡(luò)的能量利用效率為目標(biāo)，主要工作包括以下幾個(gè)方面：
　?。?）針對(duì)現(xiàn)有分簇拓?fù)淇刂浦写仡^輪換策略存在的局限性，論文分別分析了目前常用的基于時(shí)間驅(qū)動(dòng)和基于能量驅(qū)動(dòng)的簇頭輪換策略，通過(guò)分析比較二者在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行階段的能量使用效率，提出了一種混合驅(qū)動(dòng)簇頭輪換策略?；旌向?qū)動(dòng)簇頭輪換策略能避免單純使用時(shí)間驅(qū)動(dòng)輪換和能量驅(qū)動(dòng)輪換帶來(lái)的系統(tǒng)幀頭消耗過(guò)多和簇頭陷入頻繁輪換的缺陷，大幅提

4、高網(wǎng)絡(luò)的能量使用效率，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。
　?。?）針對(duì)分簇拓?fù)淇刂浦蟹执匾?guī)?？刂茊?wèn)題，從能量消耗最優(yōu)以及分簇覆蓋兩個(gè)方面進(jìn)行了研究。首先從能量消耗最優(yōu)角度，推導(dǎo)了基于單跳通信和多跳通信的分簇網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)簇規(guī)模估算方法，并對(duì)結(jié)論進(jìn)行分析，得出網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)分簇與網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的關(guān)系；其次從分簇對(duì)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋和連通的角度，推導(dǎo)了保持最優(yōu)覆蓋時(shí)的分簇規(guī)?？刂平Y(jié)論。最后將上述方法進(jìn)行比較，得出在節(jié)點(diǎn)稀疏布置網(wǎng)絡(luò)中基于覆蓋的分簇控制能取得更高能量效率的

5、結(jié)論。上述結(jié)論對(duì)于分簇拓?fù)鋮f(xié)議中簇規(guī)?？刂凭哂泻苤匾闹笇?dǎo)意義。
　　（3）針對(duì)基于多跳數(shù)據(jù)路由的分簇拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中存在的能量漏洞問(wèn)題，提出一種能量最優(yōu)的非均勻分簇計(jì)算方法。通過(guò)對(duì)簇頭能量消耗分析的研究，文章證明當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)平均能量消耗最低的時(shí)候，最優(yōu)分簇競(jìng)爭(zhēng)半徑并非隨著其到匯聚節(jié)點(diǎn)的距離減小而減小。在此基礎(chǔ)上，給出一種與現(xiàn)有非均勻分簇協(xié)議所不同的網(wǎng)絡(luò)非均勻簇劃分算法，實(shí)驗(yàn)證明了這一旨在減輕網(wǎng)絡(luò)能量漏洞問(wèn)題、提高其能量效率的非均勻分簇協(xié)

6、議具有更高的能量效率。
　?。?）在節(jié)點(diǎn)均勻分布的傳感網(wǎng)絡(luò)中，由于多跳通信的固有特點(diǎn)，采用非均勻分簇只能減輕影響而不能消除能量漏洞問(wèn)題。針對(duì)這一問(wèn)題，在本文所提出的能量消耗最優(yōu)化非均勻分簇的基礎(chǔ)上提出一種節(jié)點(diǎn)非均勻分布算法，依據(jù)分簇節(jié)點(diǎn)的平均能耗相互關(guān)系，計(jì)算到匯聚節(jié)點(diǎn)不同距離的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)分布密度，從根本上解決能量漏洞問(wèn)題。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，與現(xiàn)有的非均勻節(jié)點(diǎn)分布策略比較，本文提出的方法能有效提高網(wǎng)絡(luò)的能量效率、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)

7、生存時(shí)間，同時(shí)有效的減小網(wǎng)絡(luò)的布置成本。
　　（5）無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂坪蛿?shù)據(jù)路由是緊密聯(lián)系在一起的，好的路由策略能彌補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一些固有缺陷。針對(duì)分簇網(wǎng)絡(luò)能量消耗不均衡問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)能量高效的層次型路由協(xié)議。對(duì)于小規(guī)模無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，提出一能量均衡的數(shù)據(jù)路由協(xié)議，該協(xié)議旨在以較低的系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)來(lái)取得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的能量消耗均勻，而不追求網(wǎng)絡(luò)能量消耗最低；對(duì)于大規(guī)模無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，文章引入路由矩陣，通過(guò)線性?xún)?yōu)化方法尋求傳輸矩陣的最優(yōu)