延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)生命周期的相關(guān)算法研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetworks，WSNs)是近年來隨著微機(jī)電系統(tǒng)、嵌入式計算、無線通信等技術(shù)的發(fā)展而成為研究和應(yīng)用熱點的新型網(wǎng)絡(luò)，它是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，以數(shù)據(jù)為中心，提供信息的感知和協(xié)同處理功能，且在國防軍事、智能交通、智能建筑、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。然而，與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)點密集、資源（能量、計算能力、通信能力等）受限以及動態(tài)拓?fù)涞忍攸c，這使得其各種算法的設(shè)計首要目標(biāo)就是

2、延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。本文針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點調(diào)度算法、空洞修復(fù)算法、路由算法以及異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的時間同步算法進(jìn)行了研究，主要內(nèi)容及成果如下：
　　 (1)針對在實際應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)中往往會有部分異構(gòu)節(jié)點的情況，提出了異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分簇時間同步算法—CTSA。在CTSA算法中，每一輪的時間同步由sink節(jié)點發(fā)起，各個異構(gòu)節(jié)點收到發(fā)起消息后，向sink節(jié)點發(fā)送簇首當(dāng)選請求消息，并在得到sink節(jié)點的確認(rèn)后充當(dāng)簇首，然后在網(wǎng)內(nèi)廣播自己的當(dāng)選

3、消息，普通節(jié)點選擇最近的異構(gòu)節(jié)點作為自己的簇首并加入簇。時間同步的過程也首先在sink節(jié)點與簇首之間進(jìn)行，然后在各個簇內(nèi)的簇首與普通成員之間進(jìn)行。本文分析了時間同步過程中的誤差來源，并利用多個同步字節(jié)以及最小二乘擬合法減小時間同步誤差。仿真結(jié)果表明，在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，CTSA算法比FTSP算法有著更高的網(wǎng)絡(luò)同步比率、同步精度與生命周期，同時有著較低的同步能耗。
　　 (2)針對目前已有的節(jié)點調(diào)度算法不能保持網(wǎng)絡(luò)初始覆蓋的問題，提

4、出了保持覆蓋的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簇內(nèi)節(jié)點調(diào)度算法—CPNSC。CPNSC算法采用與LEACH算法同樣的分簇算法將網(wǎng)絡(luò)分簇，各個簇首負(fù)責(zé)建立簇內(nèi)的節(jié)點信息表以及兩兩節(jié)點距離表，并根據(jù)節(jié)點的兩兩距離、節(jié)點的感知半徑按照節(jié)點ID從小到大的順序依次判斷各個簇內(nèi)節(jié)點是否是冗余節(jié)點，若是，則在節(jié)點信息表中標(biāo)出。待簇首將所有節(jié)點都計算完畢后，將節(jié)點信息表在簇內(nèi)廣播，接收到信息表的節(jié)點根據(jù)信息表決定是否調(diào)度自己進(jìn)入睡眠狀態(tài)。仿真表明，CPNSC算法在不同的

5、節(jié)點感知半徑下有著不同的性能表現(xiàn)，且在感知半徑達(dá)到一定的數(shù)值后，即使繼續(xù)增大，對網(wǎng)絡(luò)的性能影響也不大。這是因為CPNSC算法的性能同時受到節(jié)點感知半徑與簇的大小的影響，當(dāng)感知半徑很大時，簇的大小則起到?jīng)Q定性作用。仿真同時表明，在冗余節(jié)點不足夠多的情況下，CPNSC算法在生命周期、能耗等性能上都要優(yōu)于E-LEACH算法。
　　 (3)針對已有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋空洞檢測與修復(fù)算法需要每輪重復(fù)進(jìn)行的問題，在CPNSC算法基礎(chǔ)上，提出

6、了面向節(jié)點失效的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簇內(nèi)覆蓋空洞修復(fù)算法—CHPA。CHPA算法無需網(wǎng)絡(luò)定時進(jìn)行覆蓋空洞檢測，而是當(dāng)某個普通節(jié)點即將因為能量耗盡而失效時，立即發(fā)送失效信息給簇首，簇首則根據(jù)簇內(nèi)冗余節(jié)點的相關(guān)信息，確定激活哪個冗余節(jié)點。確定冗余節(jié)點的依據(jù)是：該冗余節(jié)點與失效節(jié)點的距離小于感知半徑，且該冗余節(jié)點與覆蓋空洞的邊界節(jié)點的相鄰個數(shù)最多。由于CHPA算法是在CPNSC算法的基礎(chǔ)上完成的，因此，CHPA算法有著與CPNSC算法同樣的特性：算

7、法的性能同時受到節(jié)點感知半徑與簇的大小的影響，這在仿真中得到了驗證。同時，仿真也表明了網(wǎng)絡(luò)覆蓋率、單輪能耗、單輪時耗等方面，CHPA算法都比3MeSH算法有著更好的表現(xiàn)。
　　 (4)針對LEACH算法中存在的問題，對LEACH算法進(jìn)行了改進(jìn)，提出了基于簇的能量高效路由算法—EERA。在EERA算法中，簇首的選舉、簇間路由的確定以及普通節(jié)點加入簇等步驟，都需要考慮多個因素，具體來說，簇首的選舉過程中考慮節(jié)點的剩余能量與鄰節(jié)點個數(shù)