無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于混合拓?fù)渎酚蓞f(xié)議研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks,WSN)是新興的特殊的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò),是基于應(yīng)用的特殊的大規(guī)模分布式無線網(wǎng)絡(luò),綜合了傳感檢測、控制、嵌入式計(jì)算、無線通信、分布式信息處理等跨領(lǐng)域技術(shù),它具有快速組網(wǎng)、高效節(jié)能、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)。相對于傳統(tǒng)的無線通信網(wǎng)絡(luò),無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有明顯的特殊性,節(jié)點(diǎn)的資源相當(dāng)有限,節(jié)能效率成首要的性能指標(biāo),網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)具備良好的可擴(kuò)展性以適應(yīng)動(dòng)態(tài)拓?fù)洹?br>　　 路由協(xié)議決定了數(shù)據(jù)的傳送方

2、式,對網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、網(wǎng)絡(luò)生存期、負(fù)載均衡、數(shù)據(jù)傳送效率等網(wǎng)絡(luò)性能有重要影響。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用高度相關(guān),單一的路由協(xié)議無法滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特殊需求,需要針對具體的應(yīng)用模型設(shè)計(jì)專門的路由協(xié)議。現(xiàn)有的大部分 WSN路由協(xié)議普遍采用單純的基于平面拓?fù)浠蚧趯哟瓮負(fù)涞臄?shù)據(jù)路由方式,平面拓?fù)渎酚蓞f(xié)議在全網(wǎng)絡(luò)維護(hù)路由信息,很好地均衡了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載,但是維護(hù)大量路由信息所導(dǎo)致的節(jié)點(diǎn)能耗高的問題,嚴(yán)重限制了網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性:隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大,

3、層次路由協(xié)議得到了廣泛的關(guān)注與應(yīng)用,由于采用了層次結(jié)構(gòu),網(wǎng)絡(luò)中只有部分關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)承擔(dān)數(shù)據(jù)路由信息的維護(hù)和數(shù)據(jù)融合的工作,有效地減少了網(wǎng)絡(luò)能耗,但層次路由協(xié)議面臨的主要問題是熱點(diǎn)區(qū)域及熱點(diǎn)節(jié)點(diǎn)所面臨的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載不均衡的問題,因而采用單一拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的路由協(xié)議往往很難在各個(gè)性能指標(biāo)中取得較好平衡,如何設(shè)計(jì)結(jié)合兩者優(yōu)勢的路由協(xié)議就成為高效WSN路由協(xié)議的研究趨勢,混合拓?fù)錂C(jī)制的主要設(shè)計(jì)思想即為在數(shù)據(jù)路由的不同層次采用不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)即路由策略,在保證網(wǎng)

4、絡(luò)規(guī)模的前提下均衡網(wǎng)絡(luò)節(jié)能性及網(wǎng)絡(luò)效率如實(shí)時(shí)性及能耗均衡性方面的性能,富有挑戰(zhàn)性和實(shí)際意義。
　　 本文研究基于混合拓?fù)涞腤SN路由協(xié)議,主要工作有:(1)綜合分析了經(jīng)典的平面WSN路由協(xié)議和層次WSN路由協(xié)議,并針對本文提出的特殊應(yīng)用模型,著重分析了層次TEEN協(xié)議；(2)在深入研究大規(guī)模密集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)分析了采用不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的路由協(xié)議對網(wǎng)絡(luò)節(jié)能性,實(shí)時(shí)性及網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡性的影響并指出其不足及局

5、限性,并從兩方面對層次路由協(xié)議TEEN進(jìn)行改進(jìn)研究:基于節(jié)點(diǎn)度梯度最大化改進(jìn)TEEN協(xié)議,得到基于混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的GB-TEEN協(xié)議:對TEEN協(xié)議的簇內(nèi)通信方式進(jìn)行多優(yōu)先級自適應(yīng)化改造,使其能適應(yīng)于動(dòng)態(tài)流量的密集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集型應(yīng)用,得到MPA協(xié)議。文中對兩方面改進(jìn)研究的提出點(diǎn)、設(shè)計(jì)及主要機(jī)制作了詳細(xì)闡述,最后通過仿真實(shí)驗(yàn)對比分析TEEN及改進(jìn)協(xié)議的性能。
　　 本文研究的創(chuàng)新點(diǎn)及主要成果如下:
　　 (1)對TEEN協(xié)議

6、進(jìn)行平面化改造,提出了GB-TEEN協(xié)議,在性能方面有效改善了TEEN的網(wǎng)路負(fù)載不均衡的問題及網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性差的問題,引入了節(jié)點(diǎn)度的概念綜合衡量節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的重要性,將網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)按照重要性的不同進(jìn)行分層排序,采用基于該排序的最小支配集算法優(yōu)化了簇頭的選擇方法。并在數(shù)據(jù)傳送階段引入節(jié)點(diǎn)度梯度最大化機(jī)制(ND-GM),有效地均衡了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載,同時(shí)兼顧了網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:GB-TEEN協(xié)議與TEEN相比,在保證網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的情況下,具有更好的

7、負(fù)載均衡性及實(shí)時(shí)性。
　　 (2)對TEEN協(xié)議的簇內(nèi)通信方式進(jìn)行多優(yōu)先級自適應(yīng)化改造,得到MPA協(xié)議,它針對大規(guī)模動(dòng)態(tài)流量的密集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集型應(yīng)用,提出了一種多優(yōu)先級自適應(yīng)的簇內(nèi)通信方式,解決了TEEN的簇內(nèi)單一通信方式無法均衡網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性及能量有效性的問題,并采用基于休眠/活動(dòng)節(jié)點(diǎn)對的改進(jìn)TDMA機(jī)制,改變了基于固定時(shí)隙的數(shù)據(jù)傳送方式,而以環(huán)境事件為驅(qū)動(dòng),傳感器節(jié)點(diǎn)針對動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流量,采用不對稱時(shí)隙傳送數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:MPA