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(jì)算、無線通信等技術(shù)的發(fā)展而成為研究和應(yīng)用熱點(diǎn)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(diǎn)密集、資源（能量、計(jì)算能力、通信能力等）受限以及動(dòng)態(tài)拓?fù)涞忍攸c(diǎn)，這使得其各種算法的設(shè)計(jì)首要目標(biāo)就是

2、延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。本文針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)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(shí)間同步算法進(jìn)行了研究，主要內(nèi)容及成果如下：
　　 (1)針對(duì)在實(shí)際應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)中往往會(huì)有部分異構(gòu)節(jié)點(diǎn)的情況，提出了異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分簇時(shí)間同步算法—CTSA。在CTSA算法中，每一輪的時(shí)間同步由sink節(jié)點(diǎn)發(fā)起，各個(gè)異構(gòu)節(jié)點(diǎn)收到發(fā)起消息后，向sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送簇首當(dāng)選請(qǐng)求消息，并在得到sink節(jié)點(diǎn)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(diǎn)選擇最近的異構(gòu)節(jié)點(diǎn)作為自己的簇首并加入簇。時(shí)間同步的過程也首先在sink節(jié)點(diǎn)與簇首之間進(jìn)行，然后在各個(gè)簇內(nèi)的簇首與普通成員之間進(jìn)行。本文分析了時(shí)間同步過程中的誤差來源，并利用多個(gè)同步字節(jié)以及最小二乘擬合法減小時(shí)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(shí)有著較低的同步能耗。
　　 (2)針對(duì)目前已有的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(gè)簇首負(fù)責(zé)建立簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)信息表以及兩兩節(jié)點(diǎn)距離表，并根據(jù)節(jié)點(diǎn)的兩兩距離、節(jié)點(diǎn)的感知半徑按照節(jié)點(diǎn)ID從小到大的順序依次判斷各個(gè)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)是否是冗余節(jié)點(diǎn)，若是，則在節(jié)點(diǎn)信息表中標(biāo)出。待簇首將所有節(jié)點(diǎn)都計(jì)算完畢后，將節(jié)點(diǎn)信息表在簇內(nèi)廣播，接收到信息表的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能影響也不大。這是因?yàn)镃PNSC算法的性能同時(shí)受到節(jié)點(diǎn)感知半徑與簇的大小的影響，當(dāng)感知半徑很大時(shí)，簇的大小則起到?jīng)Q定性作用。仿真同時(shí)表明，在冗余節(jié)點(diǎn)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(duì)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(diǎn)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(shí)進(jìn)行覆蓋空洞檢測，而是當(dāng)某個(gè)普通節(jié)點(diǎn)即將因?yàn)槟芰亢谋M而失效時(shí)，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(diǎn)的相關(guān)信息，確定激活哪個(gè)冗余節(jié)點(diǎn)。確定冗余節(jié)點(diǎn)的依據(jù)是：該冗余節(jié)點(diǎn)與失效節(jié)點(diǎn)的距離小于感知半徑，且該冗余節(jié)點(diǎn)與覆蓋空洞的邊界節(jié)點(diǎn)的相鄰個(gè)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(shí)受到節(jié)點(diǎn)感知半徑與簇的大小的影響，這在仿真中得到了驗(yàn)證。同時(shí)，仿真也表明了網(wǎng)絡(luò)覆蓋率、單輪能耗、單輪時(shí)耗等方面，CHPA算法都比3MeSH算法有著更好的表現(xiàn)。
　　 (4)針對(duì)LEACH算法中存在的問題，對(duì)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(diǎn)加入簇等步驟，都需要考慮多個(gè)因素，具體來說，簇首的選舉過程中考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量與鄰節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)