無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量管理與能耗優(yōu)化研究.pdf

1、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，作為全球未來(lái)十大技術(shù)之一，正越來(lái)越受到人們的重視。近幾年來(lái)，隨著數(shù)字電路、無(wú)線通信，微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanism-System，MEMS）等技術(shù)的迅速發(fā)展，基于這些技術(shù)發(fā)展起來(lái)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)也成了研究的熱門領(lǐng)域。它在軍事、醫(yī)療、家庭等多個(gè)領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。 本文首先對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)作了介紹，同時(shí)將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)同傳統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)

2、構(gòu)成和協(xié)議棧結(jié)構(gòu)等多個(gè)方面進(jìn)行了介紹。 衡量無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)劣的最重要的指標(biāo)是網(wǎng)絡(luò)的能耗特性。我們分析了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗源，并對(duì)能耗源模塊進(jìn)行了建模分析。針對(duì)能耗源，我們從單節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)整體進(jìn)行了低功耗分析與設(shè)計(jì)。并重點(diǎn)討論了適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議和路由協(xié)議，最后還從休眠機(jī)制、功率控制機(jī)制、數(shù)據(jù)融合機(jī)制、跨層設(shè)計(jì)機(jī)制以及動(dòng)態(tài)能量管理和動(dòng)態(tài)電壓調(diào)整等方面對(duì)低能耗設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析與討論。 在分析了幾種目前比較常見(jiàn)的

3、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，并指出了這幾種協(xié)議的不足之處后，我們提出了一種基于簇的多跳結(jié)構(gòu)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法THRL協(xié)議。THRL協(xié)議是一種分層結(jié)構(gòu)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議算法，它通過(guò)在簇頭選舉時(shí)考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量，簇頭間多跳通信，簇分裂和數(shù)據(jù)融合等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)能量消耗的均衡性，進(jìn)而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。THRL協(xié)議的運(yùn)行是以輪（round）為單位，每輪中又分為成簇階段、路徑建立階段和數(shù)據(jù)傳輸階段等三個(gè)階段。 在成簇階段，無(wú)線傳

4、感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)根據(jù)一定的算法將自己選為簇頭節(jié)點(diǎn)，然后這些簇頭節(jié)點(diǎn)就向網(wǎng)絡(luò)聲明這一消息。通過(guò)分析接收信號(hào)的強(qiáng)度，節(jié)點(diǎn)選擇所要加入的簇并通知該簇頭節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)而利用基于時(shí)分復(fù)用的方式給節(jié)點(diǎn)分配發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間片。在路徑建立階段，匯聚節(jié)點(diǎn)（Sink Node）周期地發(fā)送路徑建立消息，建立從源節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的路徑，并且路徑建立消息中還包含有當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)任務(wù)等信息。通過(guò)在簇頭節(jié)點(diǎn)間廣播路徑建立消息，各個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)的路徑依據(jù)梯度關(guān)系得到建立

5、。在數(shù)據(jù)傳輸階段，節(jié)點(diǎn)根據(jù)路徑建立消息中包含的監(jiān)測(cè)任務(wù)，當(dāng)目標(biāo)區(qū)域發(fā)生符合任務(wù)要求的事件時(shí)，節(jié)點(diǎn)就開始感知數(shù)據(jù)并發(fā)送數(shù)據(jù)。簇頭節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行數(shù)據(jù)融合后，選擇梯度最大的一條路徑轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。為了避免距離匯聚節(jié)點(diǎn)較近的簇頭節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)“熱點(diǎn)問(wèn)題”，可以采用簇分裂或者動(dòng)態(tài)縮小簇的覆蓋范圍等措施。 最后，我們還對(duì)制定的路由協(xié)議在OMNeT++平臺(tái)上進(jìn)行了仿真。同時(shí)也對(duì)其他幾種傳統(tǒng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議進(jìn)行了仿真，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了比較與分析。從仿真結(jié)