能量有效的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks, WSNs)的路由算法與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同,不但要完成從源節(jié)點到目的節(jié)點的路由發(fā)現(xiàn),還負(fù)責(zé)組織整個網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點激活到路由維持以及數(shù)據(jù)傳輸各個方面的工作,是推廣WSNs應(yīng)用,提升網(wǎng)絡(luò)效率的重要方法,也是目前WSNs領(lǐng)域的研究熱點。能量有效性是WSNs體系中衡量路由算法的重要指標(biāo),因為在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,傳感節(jié)點都是由片上電池供電,能源受限,因此如何最大限度的利用這些能源使之發(fā)揮最大

2、效果,成為提升網(wǎng)路性能的關(guān)鍵;而現(xiàn)有的對改善能量有效性的研究有很多,有的只注重在路由發(fā)現(xiàn)與維持階段的性能提升,有的著眼于快速高效的發(fā)現(xiàn)節(jié)點,有的則側(cè)重于減少冗余數(shù)據(jù)的傳輸;很少有研究從整個網(wǎng)絡(luò)層出發(fā),利用路由算法全面的提升能量有效性。
　　本文從WSNs激活階段、路由發(fā)現(xiàn)階段到信息穩(wěn)定傳輸階段,針對不同階段的特點做出全面的分析,對節(jié)點的位置發(fā)現(xiàn)、路由路徑的建立與更新、數(shù)據(jù)融合等算法進(jìn)行了研究,將路由各個階段的算法整合,全面提升網(wǎng)絡(luò)

3、的能量有效性。在研究過程中進(jìn)行了以下創(chuàng)新:
　　1.論文完成了通用的WSNs網(wǎng)絡(luò)模型的定義。通過對網(wǎng)路模型的分析,發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的面向WSNs的研究大都存在節(jié)點功能過強,結(jié)構(gòu)不靈活,面向具體應(yīng)用設(shè)計的問題,進(jìn)而導(dǎo)致基于這些模型研究的算法通用性較差;基于這一情況,提出了面向標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型定義。本文對模型中節(jié)點的功能盡量弱化,網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)不加限制,更加靈活,明確軟件協(xié)議與節(jié)點硬件的功能界限:在網(wǎng)絡(luò)中不設(shè)置錨點,傳感節(jié)點不具備定

4、位能力,節(jié)點隨機(jī)部署,節(jié)點間的坐標(biāo)系不統(tǒng)一,初始狀態(tài)完全一致,節(jié)點的信道沖突由 MAC協(xié)議完成,片上系統(tǒng)能夠確定信號發(fā)射能量。
　　2.提出了高效無錨點的節(jié)點快速定位算法。這一部分的工作是將網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)部署的傳感節(jié)點進(jìn)行激活,并幫助這些節(jié)點進(jìn)行定位。包括兩部分內(nèi)容,一是利用剛性圖理論,將網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為圖的全局剛性判斷問題,證明定位算法的可行性,并提出算法的先決條件;二是設(shè)計從sink節(jié)點出發(fā),不需借助錨點,利用無線信道信號衰減公式

5、和角度測量器的方法獲得相鄰節(jié)點間的距離與角度信息,然后在滿足剛性圖限制的情況下,進(jìn)行全網(wǎng)節(jié)點的發(fā)現(xiàn)與定位。在定位準(zhǔn)確的前提下,信息傳輸次數(shù)少,除sink節(jié)點外沒有大規(guī)模廣播操作,大大降低了初始化階段的能耗。
　　3.在節(jié)點定位獲得的位置信息基礎(chǔ)上,提出了能量有效的分層路由算法。先是在已有的聚簇算法中引入了節(jié)點剩余能量因素,設(shè)計了能量相關(guān)的 HAC聚簇算法;在此基礎(chǔ)上設(shè)計了半靜態(tài)的分層路由算法,即先對所有傳感節(jié)點進(jìn)行聚簇,在形成的簇

6、內(nèi)根據(jù)能量狀態(tài)和通信代價選舉簇頭,進(jìn)行簇頭輪換時,不必重新聚簇,而是在簇內(nèi)重新選擇合適的節(jié)點充當(dāng)簇頭,當(dāng)存在簇內(nèi)節(jié)點能量消耗過大的情況時,進(jìn)行全局的重新聚簇;設(shè)計了特殊的數(shù)據(jù)包格式和簇內(nèi)節(jié)點的管理鏈表,在信息傳遞的同時利用數(shù)據(jù)包更新節(jié)點鏈表信息,保證了節(jié)點能量信息的實時性和準(zhǔn)確性,并且對節(jié)點的異常情況可以及時發(fā)現(xiàn)。經(jīng)過理論證明和實驗?zāi)M,算法有效的解決了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法中的“熱點問題”和“能量洞”問題,具有良好的能量有效性。

7、>　　4.在分層路由算法的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,提出了高效的數(shù)據(jù)融合算法。提高信息過濾效率主要通過優(yōu)化設(shè)置過濾點和選擇高效的信息過濾模式實現(xiàn)。論文首先對信息過濾方式進(jìn)行改進(jìn),將基于等待的過濾方式改為基于隊列的方式,在過濾點設(shè)置動態(tài)隊列,存儲最近轉(zhuǎn)發(fā)的信息,每次有新的信息到來將與隊列中的信息比較判斷,并且不斷更新隊列信息;而隊列的設(shè)置采用彈性機(jī)制,即信息轉(zhuǎn)發(fā)密度大的區(qū)域?qū)⒆詣蛹娱L隊列,反之將減少隊列長度;過濾點放置在分層路由時形成的簇頭節(jié)點上,并根

8、據(jù)簇頭到sink的距離反比設(shè)置初始隊列長度。與基于等待方式相比,隊列的方式可以保證信息傳輸?shù)膶崟r性,而彈性的隊列長度減輕了節(jié)點的存儲壓力,同時信息過濾的準(zhǔn)確性和完備性也大大提高,從而減少了冗余數(shù)據(jù)的發(fā)送,節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)能耗。
　　雖然本文研究了三個不同的算法,分別對應(yīng)于WSNs路由的三個階段,但是這些算法都是為了提升網(wǎng)絡(luò)的能量有效性,延長網(wǎng)絡(luò)生命周期,可以將三個算法整合為一個整體:節(jié)點定位算法是第一部分,算法的輸入是隨機(jī)部署在傳感區(qū)域

9、內(nèi)的大量未知節(jié)點,輸出是已經(jīng)激活、已知自己與鄰居節(jié)點準(zhǔn)確位置的節(jié)點集合;第二部分是路由算法,輸入是已知位置的節(jié)點集合,輸出是聚簇完成,簇頭選舉完畢,可以進(jìn)行信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);第三步部分是數(shù)據(jù)融合算法,輸入是可以路由的節(jié)點集合以及感應(yīng)到的信息,輸出是最終發(fā)送到sink節(jié)點的信息。
　　綜上所述,本文對WSNs的路由算法進(jìn)行了全面的分析,從網(wǎng)絡(luò)部署后的各個階段入手,針對路由中不同階段的特點,分別分析了提升能量有效性所需要解決的問題,