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能量高效的无线传感器网络分簇路由协议研究

高腾  
【摘要】:随着无线通信技术、嵌入式计算机技术与微机电(MEMS)技术的发展,无线传感器网络(WSNs)已经越来越深入到人类生活的方方面面。无线传感器网络是一种无基础设施的新型自组织网络,传感器节点通常使用电池供电,而且部署的区域往往无人值守,容易因耗尽能量导致失效。因而,提高能量使用效率及数据传输可靠性是无线传感器网络的核心问题。在大规模节点随机部署的网络中,如何延长网络生命周期及促进数据的有效传输以提高网络的整体性能是一个重要的研究课题。围绕这一主题,本论文针对无线传感器网络数据传输过程中网络层的路由和拓扑控制等关键问题进行了深入研究,侧重点在网络的拓扑管理技术、路由技术和数据传输技术,依次提出了分簇多跳路由协议、多层分簇协议、分簇算法和基于被动分簇的多径路由协议,并对这些协议进行了理论分析与仿真。论文的主要内容包括: (1)提出一种区域中心式的分簇路由协议RCCHR.该协议以簇首作为区域中心,同时采用虚拟中心算法生成下一轮簇首,并借鉴了无线传感器网络地理位置路由中的虚拟网格技术建立簇间路由。研究表明,该协议提高了无线传感器网络的能量效率,延长了网络生命周期。 (2)从优化选择簇首、均衡网络负载以平均网络节点能耗出发,提出基于OWA(次序加权平均)算子和改进后的AntNet算法的多层分簇路由协议EERMA。在EERMA协议中,节点收集邻域信息后根据OWA算子计算出自己广播簇首消息的时间,并采用密度法产生最优簇结构。簇间使用改进后的AntNet寻优算法,确定簇首间的最佳隶属关系。EERMA协议可以提高无线传感器网络的能量效率,并且适用于大规模部署的无线传感器网络。 (3)考虑到有很多事件驱动型的传感器网络实际应用,本文提出被动成簇节点不相交多源单汇型多径路由协议PPCMP。该协议首先使用被动分簇方法将整个网络划分为若干簇,同时在簇首节点间执行两阶段的多源单汇型多路径发现算法,生成节点不相交多径路由,并在此基础上使用网络编码技术(Network Coding)。仿真结果表明,PPCMP不但提高了网络的能量使用效率,延长了网络的工作寿命,而且也提高了数据传输的可靠性。 (4)将模糊多准则决策方法应用到簇首选择过程中,提出新的分簇算法FAHP。在FAHP算法中,影响簇首选择或路径效率的多个因素被综合考虑,并应用基于梯形模糊AHP(层次分析法)和层次模糊积分的多准则决策方法将这些因素有机地结合起来,得到一个可以代表节点状态的评价值,再以此值作为衡量标准进一步筛选。这样不仅有效防止了这些因素间的关联性干扰,而且可以得到优化方案。经仿真证明,使用多准则决策方法进行簇首选择的方案不但提高了能效,而且改善了QoS(服务质量)性能。


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