無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量管理與能耗優(yōu)化研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，作為全球未來十大技術(shù)之一，正越來越受到人們的重視。近幾年來，隨著數(shù)字電路、無線通信，微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanism-System，MEMS）等技術(shù)的迅速發(fā)展，基于這些技術(shù)發(fā)展起來的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也成了研究的熱門領(lǐng)域。它在軍事、醫(yī)療、家庭等多個領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用市場。 本文首先對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點作了介紹，同時將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)同傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了對比，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、節(jié)點

2、構(gòu)成和協(xié)議棧結(jié)構(gòu)等多個方面進(jìn)行了介紹。 衡量無線傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)劣的最重要的指標(biāo)是網(wǎng)絡(luò)的能耗特性。我們分析了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗源，并對能耗源模塊進(jìn)行了建模分析。針對能耗源，我們從單節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)整體進(jìn)行了低功耗分析與設(shè)計。并重點討論了適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議和路由協(xié)議，最后還從休眠機(jī)制、功率控制機(jī)制、數(shù)據(jù)融合機(jī)制、跨層設(shè)計機(jī)制以及動態(tài)能量管理和動態(tài)電壓調(diào)整等方面對低能耗設(shè)計進(jìn)行了分析與討論。 在分析了幾種目前比較常見的

3、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，并指出了這幾種協(xié)議的不足之處后，我們提出了一種基于簇的多跳結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法THRL協(xié)議。THRL協(xié)議是一種分層結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議算法，它通過在簇頭選舉時考慮節(jié)點剩余能量，簇頭間多跳通信，簇分裂和數(shù)據(jù)融合等技術(shù)來實現(xiàn)全網(wǎng)能量消耗的均衡性，進(jìn)而延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。THRL協(xié)議的運行是以輪（round）為單位，每輪中又分為成簇階段、路徑建立階段和數(shù)據(jù)傳輸階段等三個階段。 在成簇階段，無線傳

4、感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點根據(jù)一定的算法將自己選為簇頭節(jié)點，然后這些簇頭節(jié)點就向網(wǎng)絡(luò)聲明這一消息。通過分析接收信號的強度，節(jié)點選擇所要加入的簇并通知該簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點進(jìn)而利用基于時分復(fù)用的方式給節(jié)點分配發(fā)送數(shù)據(jù)的時間片。在路徑建立階段，匯聚節(jié)點（Sink Node）周期地發(fā)送路徑建立消息，建立從源節(jié)點到匯聚節(jié)點的路徑，并且路徑建立消息中還包含有當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)任務(wù)等信息。通過在簇頭節(jié)點間廣播路徑建立消息，各個簇頭節(jié)點到匯聚節(jié)點的路徑依據(jù)梯度關(guān)系得到建立

5、。在數(shù)據(jù)傳輸階段，節(jié)點根據(jù)路徑建立消息中包含的監(jiān)測任務(wù)，當(dāng)目標(biāo)區(qū)域發(fā)生符合任務(wù)要求的事件時，節(jié)點就開始感知數(shù)據(jù)并發(fā)送數(shù)據(jù)。簇頭節(jié)點處進(jìn)行數(shù)據(jù)融合后，選擇梯度最大的一條路徑轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。為了避免距離匯聚節(jié)點較近的簇頭節(jié)點出現(xiàn)“熱點問題”，可以采用簇分裂或者動態(tài)縮小簇的覆蓋范圍等措施。 最后，我們還對制定的路由協(xié)議在OMNeT++平臺上進(jìn)行了仿真。同時也對其他幾種傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議進(jìn)行了仿真，并對結(jié)果進(jìn)行了比較與分析。從仿真結(jié)