無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量均衡的分入籍策略及路由算法研究.pdf

1、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks,WSNs)是當(dāng)前在國(guó)內(nèi)外備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識(shí)高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域。WSNs能夠拓展人類的信息獲取能力,將客觀上的物理世界和邏輯上的信息世界聯(lián)系起來(lái),具有十分廣闊的應(yīng)用前景,受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視。
　　 路由協(xié)議負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到目的節(jié)點(diǎn),是WSNs的關(guān)鍵技術(shù)之一。傳感器節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力、通信能力以及攜帶的能量

2、都十分有限,每個(gè)節(jié)點(diǎn)只能獲取局部網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔?網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化,網(wǎng)絡(luò)資源也在不斷變化。這些特點(diǎn)使得許多成熟的路由技術(shù)不再適合于WSNs,迫切需要根據(jù)其自身特點(diǎn)研究合適的路由協(xié)議。分簇路由具有拓?fù)涔芾矸奖?、能量利用高效、?shù)據(jù)融合簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),成為WSNs當(dāng)前重點(diǎn)研究的路由技術(shù)。本文圍繞WSNs的分簇路由技術(shù)展開(kāi)了研究,側(cè)重點(diǎn)是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分簇優(yōu)化及網(wǎng)絡(luò)分簇和簇問(wèn)路由的有機(jī)結(jié)合,緩解或避免由于傳感器節(jié)點(diǎn)能耗不均所導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)“熱點(diǎn)”問(wèn)題(1l

3、ot-spots problem)和“能量空洞”現(xiàn)象(energy-hole phenomenon),構(gòu)建能量高效均衡的WSNs分簇路由協(xié)議。本文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　 第一,論述了WSNs的基本特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù),分析了WSNs路由協(xié)議設(shè)計(jì)的影響因素和基本要求,闡述了WSNs分簇路由協(xié)議設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題。對(duì)現(xiàn)有的重要WSNs分簇路由協(xié)議和算法進(jìn)行分類的基礎(chǔ)上,分析了它們的優(yōu)缺點(diǎn)及其性能問(wèn)題,為設(shè)計(jì)新的性能更好的分簇路由協(xié)議和

4、算法奠定基礎(chǔ)。
　　 第二,提出了一種能量均衡的WSNs兩層分簇路由協(xié)議TL-EBC(energy-balanced clustering routing protocol of two-layer hierarchy)。WSNs分簇路由協(xié)議研究的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是如何最優(yōu)化組簇,既能有效降低單個(gè)節(jié)點(diǎn)能耗,又能均衡整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能耗。TL-EBC采用粒子群優(yōu)化(particle swarm optimization,PSO)算法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)

5、點(diǎn)最優(yōu)化組簇;并設(shè)置總簇頭負(fù)責(zé)收集、處理簇頭數(shù)據(jù)并發(fā)送至基站,以均衡不同位置簇頭間的能耗。仿真結(jié)果表明,TL-EBC能有效降低節(jié)點(diǎn)死亡速度,均衡網(wǎng)絡(luò)能耗,延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存周期。
　　 第三,提出了一種能量均衡的集中式非均勻分簇路由協(xié)議EBUC(energy-balanced unequal clustering protocol)。本協(xié)議采用非均勻分簇和簇間多跳路由有機(jī)結(jié)合的方式。應(yīng)用PSO算法,EBtJC選擇一組最佳節(jié)點(diǎn)擔(dān)任簇頭并

6、將網(wǎng)絡(luò)劃分為大小不等的簇,不僅最小化簇頭和簇成員的距離以減小簇內(nèi)通信能耗,同時(shí)使得距離基站較近的簇具有較小的幾何尺寸來(lái)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)能耗。這樣,距離基站較近的簇頭在簇內(nèi)通信中消耗的能量較少,節(jié)省下來(lái)的能量用于簇間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù),不同位置簇頭的能耗得以平衡。EBUC采用簇間多跳路由,根據(jù)節(jié)點(diǎn)剩余能量和節(jié)點(diǎn)與基站距離,每個(gè)簇頭在所有簇頭集合中運(yùn)用貪婪算法選擇其中繼節(jié)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,EBUC能有效節(jié)約單個(gè)節(jié)點(diǎn)能量,均衡網(wǎng)絡(luò)能量,延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。

7、
　　 第四,提出了一種能量高效均衡的分布式非均勻分簇路由協(xié)議DEEUC(distributed energy-efficient unequal clustering protocol)。本協(xié)議采用分布式控制策略實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)非均勻分簇和簇間多跳路由,適用于大規(guī)模WSNs。DEEUC采用基于時(shí)間的簇頭競(jìng)爭(zhēng)算法,廣播時(shí)間取決于候選簇頭的剩余能量和其鄰居節(jié)點(diǎn)的剩余能量。同時(shí),通過(guò)控制不同位置候選簇頭的競(jìng)爭(zhēng)范圍,使得距離基站較近的簇具有較