基于非均勻成簇的雙sink環(huán)境下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量空洞避免策略.pdf

1、近年來，隨著微機(jī)電系統(tǒng)、片上系統(tǒng)、無線通信技術(shù)和低功耗嵌入式等技術(shù)的飛速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被廣泛應(yīng)用于軍事，醫(yī)療，環(huán)境監(jiān)測(cè)，智能家居等領(lǐng)域，作為連接人類生活與物理世界的橋梁，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成為了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的一個(gè)研究熱點(diǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，通常以隨機(jī)部署的方式將大量傳感器節(jié)點(diǎn)部署于特定的監(jiān)控區(qū)域內(nèi)，傳感器節(jié)點(diǎn)多是由自身所攜帶的鋰電池供電，節(jié)點(diǎn)的能量非常有限，因此，如何有效地利用節(jié)點(diǎn)的能量是延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期的關(guān)鍵。能量空洞問題作為影響網(wǎng)絡(luò)

2、能量利用效率的關(guān)鍵問題，廣泛存在于層次式無線傳感器網(wǎng)路中。能量空洞問題是指網(wǎng)絡(luò)中某些區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)由于負(fù)載過大而提前死亡，節(jié)點(diǎn)死亡后，死亡節(jié)點(diǎn)周圍的節(jié)點(diǎn)將承擔(dān)更多的負(fù)載，從而加快這部分節(jié)點(diǎn)的死亡，網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)“熱區(qū)”，當(dāng)死亡節(jié)點(diǎn)達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中剩余節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)將無法傳輸至數(shù)據(jù)匯聚點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)生命周期結(jié)束。
　　本文在現(xiàn)有能量空洞避免策略基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地對(duì)配置了雙sink的大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的能量空洞避免問題進(jìn)行了研究，提出了一種基于非

3、均勻成簇的雙sink環(huán)境下能量空洞避免策略(DEAS，double-sinks energy hole avoidancestrategy)。本文的主要工作包括:
　　(1)對(duì)簇結(jié)構(gòu)與計(jì)時(shí)廣播機(jī)制進(jìn)行優(yōu)化，以分流的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，并引入數(shù)據(jù)分流度的概念。
　　DEAS策略假設(shè)在矩形網(wǎng)絡(luò)兩側(cè)固定位置部署兩個(gè)數(shù)據(jù)匯聚點(diǎn)(sink)，以負(fù)責(zé)對(duì)網(wǎng)絡(luò)相應(yīng)區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的收集。網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)采用非均勻成簇的方式組織，以候選簇頭節(jié)

4、點(diǎn)簇內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)的密度為依據(jù)對(duì)候選簇頭的競(jìng)選半徑進(jìn)行優(yōu)化，候選簇頭采用計(jì)時(shí)廣播機(jī)制競(jìng)選成為最終簇頭，候選簇頭廣播勝選消息的時(shí)間取決于候選簇頭的剩余能量和簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)密度。在數(shù)據(jù)路由過程中，為使得節(jié)點(diǎn)間的負(fù)載更加均衡，采用拆分?jǐn)?shù)據(jù)包的方式，以使得更多的節(jié)點(diǎn)參與到數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)中。并引入節(jié)點(diǎn)分流度的概念，以更合理地確定分發(fā)給每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)量。
　　(2)為均衡雙sink間節(jié)點(diǎn)的負(fù)載，提出一種雙sink監(jiān)控區(qū)域面積動(dòng)態(tài)調(diào)整策略。
　　

5、在本文所討論的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，節(jié)點(diǎn)隨機(jī)非均勻部署于網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)不裝配位置感知設(shè)備。由于網(wǎng)絡(luò)中部署了兩個(gè)sink，每個(gè)sink監(jiān)控區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)的負(fù)載很難一致。本文提出負(fù)載差異度的概念以量化雙sink間節(jié)點(diǎn)的負(fù)載差異。隨著網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，雙sink間節(jié)點(diǎn)的負(fù)載差異度將進(jìn)一步拉大，負(fù)載較大區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)將更快耗盡能量，網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)能量空洞。為使得雙sink間節(jié)點(diǎn)的負(fù)載趨于均衡，本文采用動(dòng)態(tài)調(diào)整雙sink監(jiān)控區(qū)域面積的方式，以實(shí)現(xiàn)雙sink間節(jié)點(diǎn)負(fù)載的均衡。

6、r>　　(3)為使得雙sink監(jiān)控區(qū)域面積的調(diào)整更加高效，提出一種面積調(diào)整閾值訓(xùn)練策略。
　　DEAS算法中，當(dāng)雙sink間節(jié)點(diǎn)的負(fù)載差異度大于某一個(gè)臨界值時(shí)，則需要調(diào)整雙sink監(jiān)控區(qū)域的監(jiān)控面積。反之，則保持雙sink監(jiān)控區(qū)域的監(jiān)控面積不變。本文將決定雙sink監(jiān)控區(qū)域面積是否需要進(jìn)行調(diào)整的臨界值定義為區(qū)域調(diào)整閾值。區(qū)域調(diào)整閾值的設(shè)置決定了雙sink監(jiān)控區(qū)域面積調(diào)整的效率，為使得雙sink監(jiān)控區(qū)域面積的調(diào)整過程更加高效，提出一

7、種區(qū)域調(diào)整閾值訓(xùn)練機(jī)制，以獲得更加合理的區(qū)域調(diào)整閾值。
　　(4)對(duì)多sink環(huán)境下的能量空洞問題進(jìn)行分析，提出啟發(fā)式算法
　　本文最后對(duì)多sink環(huán)境下的能量空洞問題進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，為解決多個(gè)sink的部署問題，本文在網(wǎng)絡(luò)初始時(shí)根據(jù)sink的數(shù)量將網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分區(qū)，每個(gè)sink位于子區(qū)域的中心。并將多sink環(huán)境下的能量空洞問題劃歸為多個(gè)雙sink環(huán)境下的能量空洞問題，提出啟發(fā)式算法。
　　本文最后將DEAS算法與LEAC