無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中長(zhǎng)生命周期與高能效路由算法研究.pdf

1、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是現(xiàn)代無(wú)線電信技術(shù)背景下的一個(gè)快速發(fā)展的新典范，它可以實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備之間隨時(shí)、隨地的在任意物體間的網(wǎng)絡(luò)連接。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)無(wú)處不在網(wǎng)絡(luò)中起著重要的作用，在環(huán)境監(jiān)控、醫(yī)療監(jiān)護(hù)、應(yīng)急響應(yīng)、外太空開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，大量的傳感器節(jié)點(diǎn)被布置在一個(gè)廣闊的區(qū)域中，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都能采集周圍環(huán)境數(shù)據(jù)并通過(guò)多種通信技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸給遠(yuǎn)端中心節(jié)點(diǎn)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)一般采用電池供電并預(yù)期節(jié)點(diǎn)電池能工作較長(zhǎng)的

2、時(shí)間，其中節(jié)點(diǎn)電池不能或很難更換。因此，節(jié)點(diǎn)能耗問(wèn)題是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中需要考慮的重點(diǎn)因素。由于需要同時(shí)考慮節(jié)點(diǎn)降低節(jié)點(diǎn)的能耗和延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期，能耗優(yōu)化是一個(gè)很復(fù)雜的問(wèn)題。在同構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和異構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，許多文獻(xiàn)都將節(jié)能作為一個(gè)重要的優(yōu)化目標(biāo)并開(kāi)展了很多研究工作。然而，僅僅通過(guò)節(jié)能的方法還不足以達(dá)到延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期的目的。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中多跳路由和多對(duì)一的信息流的特點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的能量消耗不均是網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)問(wèn)題。節(jié)點(diǎn)的能耗

3、不均導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)隔斷并降低了網(wǎng)絡(luò)生命周期，從而影響了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能。因此，均衡無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能耗是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的，需要新的節(jié)能的路由協(xié)議來(lái)延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期。
　　本論文旨在從同構(gòu)傳感網(wǎng)絡(luò)和異構(gòu)傳感網(wǎng)絡(luò)兩方面對(duì)節(jié)點(diǎn)能量消耗不均問(wèn)題和最大化網(wǎng)絡(luò)生命周期進(jìn)行深入分析和研究，并提出了一些新的路由協(xié)議，這些協(xié)議都能預(yù)期地均衡網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的能量消耗并保證所有的節(jié)點(diǎn)幾乎在相同的時(shí)間內(nèi)死亡。
　　首先，基于傳統(tǒng)的gos

4、sip協(xié)議，提出了改進(jìn)的fuzzy-gossip節(jié)能路由協(xié)議。Fuzzy-gossip協(xié)議旨在分析研究同構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)生命周期問(wèn)題。該協(xié)議有效的減少了冗余的路由信息，這些冗余的路由信息在網(wǎng)絡(luò)中不斷的循環(huán)浪費(fèi)了大量的能量。Fuzzy-gossip協(xié)議通過(guò)選擇轉(zhuǎn)發(fā)路徑上剩余能量最大和到中心節(jié)點(diǎn)的距離最短的節(jié)點(diǎn)作為最佳節(jié)點(diǎn)，確定從源節(jié)點(diǎn)到中心節(jié)點(diǎn)的最佳路由路徑。為了驗(yàn)證提出的路由協(xié)議在減少端到端延時(shí)和均衡網(wǎng)絡(luò)能耗方面的有效性，本論文將

5、Gossiping、LGossiping、ELGossiping和FELGossiping protocol四種協(xié)議與提出的Fuzzy-gossip協(xié)議在這兩方面進(jìn)行了對(duì)比。仿真結(jié)果表明，F(xiàn)uzzy-gossip協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)生命周期相比于Gossiping、LGossiping、ELGossiping和FELGossiping protocol分別提高了50％、40％、25％和10％。
　　其次，考慮到每個(gè)節(jié)點(diǎn)到中心節(jié)點(diǎn)的多條路徑，

6、可以通過(guò)優(yōu)化同構(gòu)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的路由信息量來(lái)改善網(wǎng)絡(luò)的生命周期?；诖?，提出了Fuzzy_A-star協(xié)議和模糊人工蜂群路由協(xié)議（FABCRP, Fuzzy Artificial Bee Colony Routing Protocol）。這兩種協(xié)議通過(guò)一定的路由標(biāo)準(zhǔn)（如剩余能量、最小跳數(shù)、流量負(fù)載等）來(lái)決定同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中源節(jié)點(diǎn)都中心節(jié)點(diǎn)的最佳路徑，并通過(guò)均衡這些路由標(biāo)準(zhǔn)來(lái)最大可能的延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。為了驗(yàn)證Fuzzy_A-star協(xié)議

7、的有效性，本論文將其與A-star算法和fuzzy算法進(jìn)行對(duì)比，相同的路由衡量標(biāo)準(zhǔn)下在兩個(gè)不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果表明，F(xiàn)uzzy_A-star協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)生命周期相比于A-star算法和Fuzzy算法分別提高了27％和23％。FABCRP協(xié)議進(jìn)一步優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)性能，將其與fuzzy算法、ABC協(xié)議和Fuzzy_A-star協(xié)議在相同的路由環(huán)境下進(jìn)行了對(duì)比。對(duì)比結(jié)果表明，F(xiàn)ABCRP協(xié)議相比于上述三種協(xié)議，其網(wǎng)絡(luò)生命周期分別提

8、高了35％、30％和15％。
　　最后，本論文對(duì)異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)能量消耗不均問(wèn)題和通信瓶頸問(wèn)題對(duì)其生命周期的影響進(jìn)行了討論分析，特別是在靠近簇頭附近的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。針對(duì)此問(wèn)題，提出了適用于異構(gòu)傳感網(wǎng)絡(luò)的棋盤(pán)分簇和人工蜂群路由法的高效能路由協(xié)議(FCC-ABCRM，F(xiàn)uzzy Chessboard Clustering and Artificial Bee Colony Routing Method)。FCC-ABCRM采用模糊棋

9、盤(pán)分簇法（FCC，F(xiàn)uzzy Chessboard Clustering）這一新的分簇法開(kāi)始，F(xiàn)CC采用模糊邏輯決定最優(yōu)簇頭以增強(qiáng)棋盤(pán)分簇的效果，ABCRM用來(lái)選擇異構(gòu)傳感網(wǎng)絡(luò)的簇內(nèi)和簇間的最佳路由。為了證明FCC-ABCRM協(xié)議的有效性，論文將其與ChessboardClustering(CC)、PEGASIS和LEACH三種路由協(xié)議進(jìn)行對(duì)比。仿真結(jié)果表明，F(xiàn)CC-ABCRM協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)生命周期相比于上述三種路由協(xié)議分別提高了25％、4