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

1、無線傳感器網(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,改變?nèi)祟惻c自然界的交互方式,實現(xiàn)了物理世界、計算世界以及人類社會的互通。數(shù)據(jù)收集是無線傳感器網(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。目前開展的數(shù)據(jù)收集協(xié)議研究主要針對靜態(tài)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來展開的,隨著近兩年移動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成為學(xué)術(shù)界的研究熱點,原來那些針對靜態(tài)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提出的數(shù)據(jù)收集協(xié)議應(yīng)用到移動無線傳感器網(wǎng)

2、絡(luò)時,有些完全不適應(yīng),有些會導(dǎo)致協(xié)議性能大大減弱。
　　 論文目的是針對移動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計一個節(jié)能的數(shù)據(jù)收集協(xié)議。主要從移動無線傳感器網(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)點休眠調(diào)度機制、TDMA時隙劃分和sink移動策略幾個方面,考慮節(jié)點移動性給協(xié)議帶來的影響,遵循盡可能減少網(wǎng)絡(luò)的能量消耗的設(shè)計準(zhǔn)則,達到實現(xiàn)一個節(jié)能的分簇數(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方面:

3、r>　　 (1)提出了一種移動節(jié)點和固定節(jié)點混合布署的移動無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型。
　　 具體布署方案為:以網(wǎng)格形式布署m個固定節(jié)點覆蓋整個監(jiān)測區(qū)域Q,固定節(jié)點之間距離為,(略小于自由空間模型的d0),大量移動傳感器節(jié)點(n-m個)隨機均勻布署在整個監(jiān)測區(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)。
　　 算法中移動節(jié)點選擇最近的固定節(jié)點形成簇,由固定節(jié)點選擇簇內(nèi)移動節(jié)點剩余能量值較高且

4、距離最近的節(jié)點作為簇頭,這種簇頭選擇策略既節(jié)省節(jié)點能量又盡可能避免簇頭移動離開本簇。由簇頭節(jié)點負責(zé)收集簇內(nèi)成員的感知數(shù)據(jù),并進行融合處理,由固定節(jié)點構(gòu)成路由骨干進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā),最終遞交給sink節(jié)點。該分簇方案形成的簇大小一致、位置分布均勻,避免了由移動節(jié)點擔(dān)任骨干路由可能帶來的失效。其路由實現(xiàn)簡單,可靠性高。ECBF分簇算法彌補了LEACH-M協(xié)議中沒有考慮節(jié)點的能量、簇頭和移動性、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、,整個網(wǎng)絡(luò)的廣播消息量復(fù)雜度為O(n),整個網(wǎng)絡(luò)的時間復(fù)雜度為O(1),仿真實驗表明,ECBF數(shù)據(jù)收集協(xié)議比LEACH-M協(xié)議有更長的網(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節(jié)點位置影響的、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)出針對監(jiān)測區(qū)域滿足用戶期望感應(yīng)覆蓋率ψ的最小簇內(nèi)活動節(jié)點數(shù)目κ。在簇內(nèi)只選擇能量較高且距離固定節(jié)點較近的κ個節(jié)點工作(盡可

6、能地避免了簇內(nèi)節(jié)點移動離開本簇),其他大部分節(jié)點得到休眠,從而實現(xiàn)高效節(jié)能的簇內(nèi)節(jié)點輪換休眠調(diào)度。然后采用TDMA時分多路復(fù)用技術(shù)對全網(wǎng)進行統(tǒng)一的時隙劃分,其中簇內(nèi)時隙劃分采用并行方式,簇間時隙劃分采用串行方式。該時隙劃分方案減少了系統(tǒng)延遲,節(jié)省了能量,實現(xiàn)了跨層設(shè)計。仿真結(jié)果表明采用了跨層節(jié)點調(diào)度算法實現(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)點地理位置的基于移動sink的分簇

7、數(shù)據(jù)收集算法MSBDG。
　　 該算法解決了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中多跳路由通信時出現(xiàn)能量空洞的“熱點”問題。證明了任意邊長為三的正方形監(jiān)測區(qū)域中,sink節(jié)點沿√2L/2軌跡移動時,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)點作為根節(jié)點動態(tài)構(gòu)建路由樹。簇內(nèi)移動節(jié)點感知的數(shù)據(jù)經(jīng)簇頭進行數(shù)據(jù)融合計算,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。仿真實驗表明,MSBDG在節(jié)點的平均能耗和網(wǎng)絡(luò)的生存時間等方面,其性能