分簇傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化方法的研究.pdf

1、作為一種新的信息獲取方式和處理模式，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事偵查、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療保護(hù)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中往往包含大量的節(jié)點(diǎn)，以數(shù)據(jù)為中心，中間節(jié)點(diǎn)能夠?qū)Ω兄臄?shù)據(jù)進(jìn)行融合，傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)中中間節(jié)點(diǎn)僅負(fù)責(zé)報文的轉(zhuǎn)發(fā)。由于傳感器往往布撒在人無法接近的惡劣環(huán)境中，其能源無法補(bǔ)充，因此其協(xié)議必須節(jié)能。一些為傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的協(xié)議不適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中鄰近節(jié)點(diǎn)采集的信息通常具有相似性，存在冗余，基于層次的分簇路由協(xié)議可

2、以通過簇頭節(jié)點(diǎn)對簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)感知的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合轉(zhuǎn)發(fā)，能有效地簡化對傳感器網(wǎng)絡(luò)的查詢，降低通訊開銷，以達(dá)到節(jié)能的目的。相對于平面路由算法，分簇路由算法更符合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于數(shù)據(jù)的路由需求，具有更好的健壯性和可擴(kuò)展性，適用于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。 本文針對分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層的節(jié)能優(yōu)化方法進(jìn)行了研究，具體內(nèi)容有： 首先本文討論了在網(wǎng)絡(luò)層針對分簇路由協(xié)議的組簇模型的優(yōu)化方法。統(tǒng)一簇半徑的分簇算法能保證簇頭的均衡分布

3、。但是相鄰的兩個簇彼此可能是重疊的，即成員節(jié)點(diǎn)往往出現(xiàn)在多個候選簇頭的覆蓋范圍內(nèi)。組簇的一個原則是盡量保證各個簇的負(fù)載均衡。本文提出了一種簇規(guī)模的估計模型CSEM(ClusterSize Estimation Model)來均衡各個簇間的負(fù)載。該模型的一個顯著的缺點(diǎn)是極大的能耗開銷。為此提出了另外一種低能耗的負(fù)載均衡的組簇判據(jù)LBJCM(aLoad Balanced Join Cluster Metric)。該判據(jù)根據(jù)簇頭的局部密度以及

4、距離該簇頭的距離選擇最優(yōu)的簇頭加入。仿真實(shí)驗(yàn)表明，在不同的簇半徑下，較之其他模型，利用CSEM和LBJCM進(jìn)行組簇能獲得更好的簇間負(fù)載均衡性能。 接著在MAC層針對節(jié)點(diǎn)的時分多址TDMA調(diào)度算法進(jìn)行了研究?；诟偁幍腗AC層報文收發(fā)機(jī)制將造成局部通信的大量沖突，浪費(fèi)節(jié)點(diǎn)的能量。基于TDMA的調(diào)度將極大地降低節(jié)點(diǎn)的能耗?；诜执氐膫鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)的一種典型的做法是簇頭為每個成員節(jié)點(diǎn)分配時隙，以輪的形式收集成員節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)(如LEACH協(xié)議

5、)。為了避免簇間重疊造成的干擾，現(xiàn)有的解決方案包括為每個簇分配唯一的DSSS擴(kuò)頻碼，或者使用為相鄰簇分配不同信道等。然而這些方案需要額外的硬件支持，不適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模布撒的應(yīng)用場景。一種基于兩級TDMA調(diào)度的協(xié)議IFCT(Interference Free Cluster-based TDMA schedule)解決了上述不足。IFCT采用兩級的調(diào)度，為每個簇分配一個時間幀，每個簇頭將自己的幀拆分為時隙分配給成員節(jié)點(diǎn)。然而IFCT

6、的幀分配算法FA存在信道浪費(fèi)問題，針對該不足提出了一種新的調(diào)度算法ETS以及改進(jìn)后的算法ETS2。ETS和ETS2都具有很好的算法復(fù)雜度和消息復(fù)雜度并且極大地提高了各分簇半徑下的簇的平均信道利用率。 隨后后本文提出了一種基于LEACH的面向數(shù)據(jù)融合的路由協(xié)議DF-LEACH。由于LEACH協(xié)議規(guī)定簇頭直接通過一跳的方式與基站進(jìn)行通信，因此遠(yuǎn)離基站的簇頭節(jié)點(diǎn)將過早地死亡，因此對LEACH協(xié)議進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種突發(fā)事件的位置的估