無線傳感器網(wǎng)絡能量高效分簇拓撲控制研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡WSNs（Wireless SensorNetworks）是近些年來迅速發(fā)展的一種新型信息感知和獲取方式，已經(jīng)廣泛的應用于環(huán)境監(jiān)測、軍事偵查、醫(yī)療診斷以及物聯(lián)網(wǎng)等領域。拓撲控制是無線傳感器網(wǎng)絡中一項關鍵技術，它通過改善網(wǎng)絡拓撲結(jié)構為其它網(wǎng)絡技術和應用提供基礎平臺，從而提高網(wǎng)絡性能。作為一種能量受限且工作環(huán)境復雜的網(wǎng)絡，能量利用效率一直是無線傳感器網(wǎng)絡面臨的最大問題。網(wǎng)絡拓撲控制從優(yōu)化網(wǎng)絡的基礎結(jié)構出發(fā)，從而對網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)收集

2、和路由、節(jié)點管理與調(diào)度等產(chǎn)生積極影響，對于降低和均衡網(wǎng)絡能耗、延長網(wǎng)絡生命周期、提高網(wǎng)絡的能量利用效率具有重要意義?；趯哟涡屯負淇刂频姆执赝負渚W(wǎng)絡通過簇頭節(jié)點對簇成員節(jié)點的感知數(shù)據(jù)進行融合和轉(zhuǎn)發(fā)，能有效地簡化網(wǎng)絡操作與信息的獲取，降低無線通訊的能量開銷。相對于平面拓撲控制，層次型分簇拓撲更符合無線傳感器網(wǎng)絡基于數(shù)據(jù)的路由需求，特別是針對網(wǎng)絡中大量存在冗余數(shù)據(jù)這一特點，具有更高的能量效率和更好的擴展性，也更適合于管理大規(guī)模網(wǎng)絡。本文針對

3、無線傳感器網(wǎng)絡基于分簇的拓撲控制的節(jié)能優(yōu)化方法進行了研究，以提高網(wǎng)絡的能量利用效率為目標，主要工作包括以下幾個方面：
　?。?）針對現(xiàn)有分簇拓撲控制中簇頭輪換策略存在的局限性，論文分別分析了目前常用的基于時間驅(qū)動和基于能量驅(qū)動的簇頭輪換策略，通過分析比較二者在網(wǎng)絡運行階段的能量使用效率，提出了一種混合驅(qū)動簇頭輪換策略。混合驅(qū)動簇頭輪換策略能避免單純使用時間驅(qū)動輪換和能量驅(qū)動輪換帶來的系統(tǒng)幀頭消耗過多和簇頭陷入頻繁輪換的缺陷，大幅提

4、高網(wǎng)絡的能量使用效率，延長網(wǎng)絡的生存時間。
　?。?）針對分簇拓撲控制中分簇規(guī)模控制問題，從能量消耗最優(yōu)以及分簇覆蓋兩個方面進行了研究。首先從能量消耗最優(yōu)角度，推導了基于單跳通信和多跳通信的分簇網(wǎng)絡的最優(yōu)簇規(guī)模估算方法，并對結(jié)論進行分析，得出網(wǎng)絡最優(yōu)分簇與網(wǎng)絡參數(shù)的關系；其次從分簇對網(wǎng)絡的覆蓋和連通的角度，推導了保持最優(yōu)覆蓋時的分簇規(guī)?？刂平Y(jié)論。最后將上述方法進行比較，得出在節(jié)點稀疏布置網(wǎng)絡中基于覆蓋的分簇控制能取得更高能量效率的

5、結(jié)論。上述結(jié)論對于分簇拓撲協(xié)議中簇規(guī)模控制具有很重要的指導意義。
　?。?）針對基于多跳數(shù)據(jù)路由的分簇拓撲網(wǎng)絡中存在的能量漏洞問題，提出一種能量最優(yōu)的非均勻分簇計算方法。通過對簇頭能量消耗分析的研究，文章證明當網(wǎng)絡節(jié)點平均能量消耗最低的時候，最優(yōu)分簇競爭半徑并非隨著其到匯聚節(jié)點的距離減小而減小。在此基礎上，給出一種與現(xiàn)有非均勻分簇協(xié)議所不同的網(wǎng)絡非均勻簇劃分算法，實驗證明了這一旨在減輕網(wǎng)絡能量漏洞問題、提高其能量效率的非均勻分簇協(xié)

6、議具有更高的能量效率。
　　（4）在節(jié)點均勻分布的傳感網(wǎng)絡中，由于多跳通信的固有特點，采用非均勻分簇只能減輕影響而不能消除能量漏洞問題。針對這一問題，在本文所提出的能量消耗最優(yōu)化非均勻分簇的基礎上提出一種節(jié)點非均勻分布算法，依據(jù)分簇節(jié)點的平均能耗相互關系，計算到匯聚節(jié)點不同距離的網(wǎng)絡區(qū)域的節(jié)點分布密度，從根本上解決能量漏洞問題。理論分析和實驗結(jié)果證明，與現(xiàn)有的非均勻節(jié)點分布策略比較，本文提出的方法能有效提高網(wǎng)絡的能量效率、延長網(wǎng)絡

7、生存時間，同時有效的減小網(wǎng)絡的布置成本。
　　（5）無線傳感器網(wǎng)絡拓撲控制和數(shù)據(jù)路由是緊密聯(lián)系在一起的，好的路由策略能彌補網(wǎng)絡拓撲結(jié)構的一些固有缺陷。針對分簇網(wǎng)絡能量消耗不均衡問題，本文設計能量高效的層次型路由協(xié)議。對于小規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡，提出一能量均衡的數(shù)據(jù)路由協(xié)議，該協(xié)議旨在以較低的系統(tǒng)開銷來取得網(wǎng)絡節(jié)點間的能量消耗均勻，而不追求網(wǎng)絡能量消耗最低；對于大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡，文章引入路由矩陣，通過線性優(yōu)化方法尋求傳輸矩陣的最優(yōu)