能量有效的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣播算法研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量散布在目標(biāo)區(qū)域的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)以自組織方式構(gòu)成。節(jié)點(diǎn)既充當(dāng)主機(jī)又充當(dāng)路由器，由數(shù)據(jù)采集芯片、數(shù)據(jù)處理芯片和數(shù)據(jù)收發(fā)芯片組成，完成目標(biāo)區(qū)域數(shù)據(jù)的感知、收集、存儲(chǔ)和計(jì)算。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通過節(jié)點(diǎn)間無線信號(hào)的多跳轉(zhuǎn)發(fā)而連接，節(jié)點(diǎn)對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理優(yōu)化，傳遞給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，最終通過Internet或無線網(wǎng)絡(luò)傳遞給用戶終端。由于節(jié)點(diǎn)的體積有限，因而節(jié)點(diǎn)所攜帶的電池能量也非常有限，所以能量問題在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中備受關(guān)注，節(jié)能是網(wǎng)絡(luò)中各種協(xié)議以

2、及算法設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)。
　　 廣播操作是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中最基本的數(shù)據(jù)傳輸方式，負(fù)責(zé)控制信息的傳播、時(shí)鐘同步、路由發(fā)現(xiàn)等重要操作。最簡單的廣播可以采用泛洪方式，但這種方式存在的冗余轉(zhuǎn)發(fā)、信號(hào)沖突和碰撞過多，很容易引起廣播風(fēng)暴問題，對(duì)于能源極其有限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，廣播風(fēng)暴問題的危害尤其嚴(yán)重。因此，高效節(jié)能的廣播算法是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。目前，國內(nèi)外研究人員已紛紛提出了各具特色的廣播算法來解決廣播風(fēng)暴問題。本文的主要研

3、究工作如下：
　　 (1)對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣播算法進(jìn)行了詳細(xì)的分析比較，并對(duì)集中式的基于定向天線的最小能量增量廣播算法D-BIP(Directional BroadcastIncremental Power)進(jìn)行深入研究，針對(duì)其采用不夠靈活的固定波束定向天線模型及算法中約束條件過于單一的問題，提出了它的改進(jìn)算法--基于自適應(yīng)定向天線的最小能量增量廣播算法A-D-BIP(Adaptive DirectionalBroadcast

4、 Incremental Power)。這種算法采用自適應(yīng)波束定向天線模型，波束寬度和方向可以隨著網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的不同而實(shí)時(shí)的改變。在選擇轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)時(shí)考慮了多種約束條件，比如能量限制、速度限制、超時(shí)限制等，盡量不選擇容易造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣?jīng)常變化的節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，從而以最節(jié)能的方式來轉(zhuǎn)發(fā)廣播消息。并且定期對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行維護(hù)，使每個(gè)節(jié)點(diǎn)的退出或者加入都能及時(shí)反饋到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，保證了廣播消息的正確送達(dá)。
　　 (2)由于A-D-BIP算法是一種

5、集中式廣播算法，節(jié)點(diǎn)需要知道全網(wǎng)拓?fù)湫畔⒉拍苓M(jìn)行廣播，在實(shí)際應(yīng)用中往往因?yàn)橛?jì)算量過大或者需要維護(hù)的網(wǎng)絡(luò)信息過多而并不可取，針對(duì)這一問題我們提出了分布式的基于相對(duì)鄰圖RNG(relative neighborhood graph)的定向天線廣播算法D-RBOP(DirectionalRNG Broadcasting Oriented Protocol)的改進(jìn)算法--基于相對(duì)鄰圖的自適應(yīng)定向天線廣播算法A-D-RBOP(Adaptive D

6、irectional RNG BroadcastingOriented Protocol)。該算法首先利用RNG算法構(gòu)造相對(duì)鄰圖拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上利用自適應(yīng)定向天線模型進(jìn)行廣播，科學(xué)的選取波束的大小和方向，使算法在不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中都表現(xiàn)出良好的性能。
　　 (3)最后應(yīng)用MATLAB仿真平臺(tái)對(duì)本文提出的A-D-BIP算法和A-D-RBOP算法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。首先對(duì)D-BIP算法和A-D-BIP算法的能耗、廣播送達(dá)率、節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)