無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能效優(yōu)先通信技術(shù)研究.pdf

1、由微處理器、傳感器和無線通信接口組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用全新的數(shù)據(jù)獲取和處理技術(shù)，其在軍事偵查、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療服務(wù)、工業(yè)監(jiān)控等領(lǐng)域廣闊的應(yīng)用前景，引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視。由于傳感器節(jié)點(diǎn)通常部署在無人值守或惡劣的環(huán)境中，能源無法補(bǔ)充或更換，因此協(xié)議必須節(jié)能；另外大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)部署、自組織的管理方式、節(jié)點(diǎn)容易失效、無線信道的動(dòng)態(tài)變化等無線傳感器網(wǎng)絡(luò)固有特性也會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)的整體性能。如何設(shè)計(jì)專門的算法和協(xié)議來有效地減少能量消耗和提高網(wǎng)絡(luò)性

2、能已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)問題。本文圍繞節(jié)能這一主題，針對(duì)分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中與節(jié)能和提高網(wǎng)絡(luò)性能密切相關(guān)的算法和協(xié)議進(jìn)行了研究。主要內(nèi)容包括：
　?、艑?duì)MAC協(xié)議和能量消耗原因進(jìn)行了分析和研究?；诟?jìng)爭(zhēng)的MAC協(xié)議容易造成局部通信的大量沖突和增加空閑偵聽，浪費(fèi)節(jié)點(diǎn)的能量；基于TDMA的MAC協(xié)議降低了節(jié)點(diǎn)的能耗，但擴(kuò)展性較差、信道利用率不高。針對(duì)以上問題，該文提出了基于分簇的能量高效混合MAC算法(CEEH-MAC)，簇內(nèi)采用基于T

3、DMA機(jī)制的基本時(shí)隙調(diào)整系數(shù)來動(dòng)態(tài)調(diào)整簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙大小，從而降低數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)延；對(duì)不需要傳輸數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)不分配時(shí)隙，讓其擁有較長(zhǎng)的睡眠時(shí)間來節(jié)約能量；根據(jù)節(jié)點(diǎn)的剩余能量系數(shù)形成時(shí)隙分配順序來減少狀態(tài)轉(zhuǎn)換的能耗；采用CSMA/CA機(jī)制實(shí)現(xiàn)鄰居簇頭通信。該方法從減少串音和空閑偵聽兩方面來降低能量消耗，通過動(dòng)態(tài)分配時(shí)隙大小來減少時(shí)延和提高信道的利用率。仿真結(jié)果表明，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大的情況下，CEEH-MAC算法節(jié)能效果明顯，具有更小的平均時(shí)延和

4、更長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)生命周期。
　?、茖?duì)現(xiàn)有的分簇算法進(jìn)行了研究，為了克服在簇形成過程中角色轉(zhuǎn)換的能耗、周期性簇頭轉(zhuǎn)換的計(jì)算能耗和確定下一輪簇頭轉(zhuǎn)換的時(shí)間等問題，提出了一種基于概率的能量平衡動(dòng)態(tài)分簇算法(EBDCP)，采用虛擬網(wǎng)格技術(shù)把簇分成若干個(gè)網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格中只有一個(gè)活動(dòng)節(jié)點(diǎn)，其余節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)；根據(jù)活動(dòng)節(jié)點(diǎn)的剩余能量和發(fā)送數(shù)據(jù)包的次數(shù)來計(jì)算其成為下一輪簇頭的概率，減少了計(jì)算和通信能耗，同時(shí)使得節(jié)點(diǎn)能耗具有良好的均衡性；通過動(dòng)態(tài)門限值

5、來確定簇頭的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間。仿真結(jié)果說明，該算法節(jié)能效果良好，有效地平衡了節(jié)點(diǎn)的能量消耗，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。
　　⑶研究了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議，針對(duì)分層路由協(xié)議中存在的能量消耗不均衡、傳輸時(shí)延較大和最優(yōu)化路由選擇等問題，論文提出了基于能量平衡的近似最小生成樹路由算法(EBAMST)，該算法基于分簇結(jié)構(gòu)，綜合考慮了節(jié)點(diǎn)的剩余能量、鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)、傳輸距離等因素來計(jì)算成為下一跳的概率，定義了選擇下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的衡量標(biāo)準(zhǔn)，簇頭在選擇路

6、由時(shí)，從鄰簇頭中選擇衡量標(biāo)準(zhǔn)最大的作為下一跳路由節(jié)點(diǎn)，通過避免讓剩余能量較少的簇頭大量轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)來平衡能耗，從而延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期，算法不需要復(fù)雜的計(jì)算和過多的存儲(chǔ)空間來減少能量消耗，但得到的路由效果近似最小生成樹路由算法。仿真結(jié)果表明該算法在能量消耗、平均時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)生命周期等方面具有良好的性能。
　?、葘?duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全基礎(chǔ)設(shè)施—密鑰管理進(jìn)行了研究，針對(duì)分簇式密鑰管理中存在的計(jì)算量大、抗毀性弱和擴(kuò)展性差等問題，論文提出了基于分簇的