基于分簇技術(shù)的移動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集協(xié)議研究.pdf

1、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)以一種新的信息獲取方式與處理模式,將邏輯上的信息世界和客觀上的物理世界聯(lián)系起來(lái),改變?nèi)祟惻c自然界的交互方式,實(shí)現(xiàn)了物理世界、計(jì)算世界以及人類社會(huì)的互通。數(shù)據(jù)收集是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)最基本的應(yīng)用,是各種復(fù)雜應(yīng)用的基礎(chǔ),也是現(xiàn)階段傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的重點(diǎn)。目前開展的數(shù)據(jù)收集協(xié)議研究主要針對(duì)靜態(tài)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)展開的,隨著近兩年移動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)成為學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn),原來(lái)那些針對(duì)靜態(tài)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)提出的數(shù)據(jù)收集協(xié)議應(yīng)用到移動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)

2、絡(luò)時(shí),有些完全不適應(yīng),有些會(huì)導(dǎo)致協(xié)議性能大大減弱。
　　 論文目的是針對(duì)移動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)一個(gè)節(jié)能的數(shù)據(jù)收集協(xié)議。主要從移動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集協(xié)議所涉及的網(wǎng)絡(luò)布署方案、分布式分簇技術(shù)、節(jié)點(diǎn)休眠調(diào)度機(jī)制、TDMA時(shí)隙劃分和sink移動(dòng)策略幾個(gè)方面,考慮節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性給協(xié)議帶來(lái)的影響,遵循盡可能減少網(wǎng)絡(luò)的能量消耗的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,達(dá)到實(shí)現(xiàn)一個(gè)節(jié)能的分簇?cái)?shù)據(jù)收集協(xié)議的目標(biāo)。
　　 本文的主要工作和創(chuàng)新性成果分為以下四個(gè)方面:

3、r>　　 (1)提出了一種移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和固定節(jié)點(diǎn)混合布署的移動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型。
　　 具體布署方案為:以網(wǎng)格形式布署m個(gè)固定節(jié)點(diǎn)覆蓋整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域Q,固定節(jié)點(diǎn)之間距離為,(略小于自由空間模型的d0),大量移動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)(n-m個(gè))隨機(jī)均勻布署在整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)。
　　 (2)提出了一種新的高效節(jié)能的分布式分簇算法(ECBF)。
　　 算法中移動(dòng)節(jié)點(diǎn)選擇最近的固定節(jié)點(diǎn)形成簇,由固定節(jié)點(diǎn)選擇簇內(nèi)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)剩余能量值較高且

4、距離最近的節(jié)點(diǎn)作為簇頭,這種簇頭選擇策略既節(jié)省節(jié)點(diǎn)能量又盡可能避免簇頭移動(dòng)離開本簇。由簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集簇內(nèi)成員的感知數(shù)據(jù),并進(jìn)行融合處理,由固定節(jié)點(diǎn)構(gòu)成路由骨干進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā),最終遞交給sink節(jié)點(diǎn)。該分簇方案形成的簇大小一致、位置分布均勻,避免了由移動(dòng)節(jié)點(diǎn)擔(dān)任骨干路由可能帶來(lái)的失效。其路由實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,可靠性高。ECBF分簇算法彌補(bǔ)了LEACH-M協(xié)議中沒有考慮節(jié)點(diǎn)的能量、簇頭和移動(dòng)性、簇的數(shù)目不一致、分布不均勻的一些不足。執(zhí)行ECBF算法

5、,整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的廣播消息量復(fù)雜度為O(n),整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間復(fù)雜度為O(1),仿真實(shí)驗(yàn)表明,ECBF數(shù)據(jù)收集協(xié)議比LEACH-M協(xié)議有更長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)生命期和更好的數(shù)據(jù)傳輸成功率。
　　 (3)提出了一種避免移動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置影響的、滿足用戶期望覆蓋率的、高效節(jié)能簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)跨層調(diào)度算法。
　　 算法根據(jù)覆蓋性分析理論推導(dǎo)出針對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域滿足用戶期望感應(yīng)覆蓋率ψ的最小簇內(nèi)活動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)目κ。在簇內(nèi)只選擇能量較高且距離固定節(jié)點(diǎn)較近的κ個(gè)節(jié)點(diǎn)工作(盡可

6、能地避免了簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)離開本簇),其他大部分節(jié)點(diǎn)得到休眠,從而實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能的簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)輪換休眠調(diào)度。然后采用TDMA時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)對(duì)全網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)一的時(shí)隙劃分,其中簇內(nèi)時(shí)隙劃分采用并行方式,簇間時(shí)隙劃分采用串行方式。該時(shí)隙劃分方案減少了系統(tǒng)延遲,節(jié)省了能量,實(shí)現(xiàn)了跨層設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明采用了跨層節(jié)點(diǎn)調(diào)度算法實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)收集協(xié)議EDG降低了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)延遲,節(jié)能效果明顯。
　　 (4)提出了一種不依賴于節(jié)點(diǎn)地理位置的基于移動(dòng)sink的分簇

7、數(shù)據(jù)收集算法MSBDG。
　　 該算法解決了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中多跳路由通信時(shí)出現(xiàn)能量空洞的“熱點(diǎn)”問題。證明了任意邊長(zhǎng)為三的正方形監(jiān)測(cè)區(qū)域中,sink節(jié)點(diǎn)沿√2L/2軌跡移動(dòng)時(shí),網(wǎng)絡(luò)用于數(shù)據(jù)收集的能量消耗最小。Sink沿途以最近的固定節(jié)點(diǎn)作為根節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)構(gòu)建路由樹。簇內(nèi)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)感知的數(shù)據(jù)經(jīng)簇頭進(jìn)行數(shù)據(jù)融合計(jì)算,然后將融合后的數(shù)據(jù)沿路由樹反向逐跳轉(zhuǎn)發(fā)給sink節(jié)點(diǎn)。仿真實(shí)驗(yàn)表明,MSBDG在節(jié)點(diǎn)的平均能耗和網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間等方面,其性能