無線傳感器網絡能量均衡的分入籍策略及路由算法研究.pdf

1、無線傳感器網絡(wireless sensor networks,WSNs)是當前在國內外備受關注的、涉及多學科高度交叉、知識高度集成的前沿熱點研究領域。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,具有十分廣闊的應用前景,受到學術界和工業(yè)界的高度重視。
　　 路由協(xié)議負責將數(shù)據(jù)分組從源節(jié)點通過網絡轉發(fā)到目的節(jié)點,是WSNs的關鍵技術之一。傳感器節(jié)點的計算能力、存儲能力、通信能力以及攜帶的能量

2、都十分有限,每個節(jié)點只能獲取局部網絡的拓撲信息;網絡拓撲結構動態(tài)變化,網絡資源也在不斷變化。這些特點使得許多成熟的路由技術不再適合于WSNs,迫切需要根據(jù)其自身特點研究合適的路由協(xié)議。分簇路由具有拓撲管理方便、能量利用高效、數(shù)據(jù)融合簡單等優(yōu)點,成為WSNs當前重點研究的路由技術。本文圍繞WSNs的分簇路由技術展開了研究,側重點是通過網絡分簇優(yōu)化及網絡分簇和簇問路由的有機結合,緩解或避免由于傳感器節(jié)點能耗不均所導致的網絡“熱點”問題(1l

3、ot-spots problem)和“能量空洞”現(xiàn)象(energy-hole phenomenon),構建能量高效均衡的WSNs分簇路由協(xié)議。本文的主要工作和創(chuàng)新點如下:
　　 第一,論述了WSNs的基本特點和關鍵技術,分析了WSNs路由協(xié)議設計的影響因素和基本要求,闡述了WSNs分簇路由協(xié)議設計的核心問題。對現(xiàn)有的重要WSNs分簇路由協(xié)議和算法進行分類的基礎上,分析了它們的優(yōu)缺點及其性能問題,為設計新的性能更好的分簇路由協(xié)議和

4、算法奠定基礎。
　　 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)議研究的一個關鍵問題是如何最優(yōu)化組簇,既能有效降低單個節(jié)點能耗,又能均衡整個網絡能耗。TL-EBC采用粒子群優(yōu)化(particle swarm optimization,PSO)算法實現(xiàn)網絡節(jié)

5、點最優(yōu)化組簇;并設置總簇頭負責收集、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。仿真結果表明,TL-EBC能有效降低節(jié)點死亡速度,均衡網絡能耗,延長網絡生存周期。
　　 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結合的方式。應用PSO算法,EBtJC選擇一組最佳節(jié)點擔任簇頭并

6、將網絡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通信能耗,同時使得距離基站較近的簇具有較小的幾何尺寸來優(yōu)化網絡能耗。這樣,距離基站較近的簇頭在簇內通信中消耗的能量較少,節(jié)省下來的能量用于簇間的數(shù)據(jù)轉發(fā)任務,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)點剩余能量和節(jié)點與基站距離,每個簇頭在所有簇頭集合中運用貪婪算法選擇其中繼節(jié)點。實驗結果表明,EBUC能有效節(jié)約單個節(jié)點能量,均衡網絡能量,延長網絡生存時間。

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現(xiàn)網絡非均勻分簇和簇間多跳路由,適用于大規(guī)模WSNs。DEEUC采用基于時間的簇頭競爭算法,廣播時間取決于候選簇頭的剩余能量和其鄰居節(jié)點的剩余能量。同時,通過控制不同位置候選簇頭的競爭范圍,使得距離基站較近的簇具有較