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无线传感器网络功率控制与分簇路由算法研究

刘新华  
【摘要】:无线传感器网络是一种新型的、无基础设施的、以数据为中心的自组织多跳无线网络。作为一种新颖的信息获取技术,无线传感器网络有着巨大的潜在应用价值,并迅速成为国内外研究的热点,引起了世界许多国家军事部门、工业界和学术界的极大关注。与传统的无线网络相比,无线传感器网络中节点的能量极其有限,而且往往节点所处环境恶劣,能量替换或补充非常困难。因此,如何利用节点的有限能量来最大限度的延长网络的生存时间,是无线传感器网络在面向实际应用时需要首先解决的关键问题。 论文以提高无线传感器网络的能量有效性、网络吞吐量及信道利用率等性能为研究目标,利用功率控制技术、跨层优化设计方法和分簇技术,研究能提高无线传感器网络整体性能的分簇路由算法。论文所做的主要研究工作如下: 1.分析和研究了功率控制技术、分簇路由算法和跨层设计。针对无线传感器网络的应用特点,分析了功率控制技术对无线传感器网络性能的影响,阐述了无线传感器网络的功率控制机制及调度策略,并结合无线传播模型讨论了功率控制机制的实现方法;针对无线传感器网络路由特性,分析了无线传感器网络中分簇的层次结构,阐述了无线传感器网络中的分簇策略及路由选择,并探讨了分簇与功率控制的关系;针对无线传感器网络的体系结构,分析了无线传感器网络中跨层优化设计的基本思想及跨层设计相关模型,并探讨了功率控制、分簇及跨层之间的关系,提出了新的跨层设计模型。 2.提出了一种基于能量异构的分布式成簇路由算法。针对无线传感器网络中节点能量异构问题,提出了一种适用于能量异构环境的分布式成簇算法(EHDC算法)。EHDC算法基于簇的本地信息给出了评估节点当前能量水平的相对估计因子,用以调整节点在簇头轮转过程中出任簇头的概率及其轮转周期,从而使当前高能量节点获得更多担任簇头的机会,实现整个网络能量均衡消耗。通过对EHDC的簇头选举算法优化,给出了其改进算法(AEHDC算法)。实验仿真结果表明,在能量异构网络中,EHDC算法和AEHDC算法均表现出良好的适应性和可扩展性,其能量有效性得到了很大的提高,节点能量消耗更加均衡,大大提高了网络的生命周期。 3.提出了一种基于负载均衡的分布式定向分簇路由算法。针对无线传感器分簇网络中节点负载不均衡的问题,提出了一种基于负载均衡的分布式定向分簇路由算法(DDC算法)。DDC算法基于簇的局部信息对节点在下一轮中的能量水平及其负载能力进行预评估,并给出了相应的预评估因子。在每一轮成簇过程中,首先基于节点能量预评估因子将网络分割成适当的分区,然后在每个分区中,根据节点在本轮的负载能力预评估因子选取簇头,前者可以有效保证各分区的能量均衡性,后者可以实现分区内节点的负载平衡。DDC算法通过将网络能量与节点负载有机结合,来最大限度的延长网络的生命周期。实验仿真结果表明,与同类算法相比,DDC算法的能量有效性效果显著,网络中节点负载更加均衡。在网络初始能量异构的情况下,依然表现出良好的适应性和可扩展性。 4.提出了一种基于最优连通功率的稳定成簇路由算法。针对无线传感器网络节点实际部署中网络易割裂及热点区域节点密集、竞争激烈的情况,提出了一种基于最优连通功率的稳定成簇算法(SCOC算法)。SCOC算法基于可变功率控制技术和最优邻居节点数解决了最优发射功率、最优连通功率问题,并基于最优邻居选择策略实现了对节点最优连通功率及其邻居节点最优发射功率级别的分配。最优连通功率有效减少了热点区域节点间的冲突域,降低了节点间的竞争强度,提高了信道的空间复用率和网络吞吐量。SCOC算法基于最优连通功率实现网络的稳定连通和稳定成簇,简化了网络拓扑结构,最大限度地延长了网络生命周期。实验仿真结果表明,基于最优连通功率成簇的SCOC算法,有效维持了网络的连通性和稳定性,具有较强的自适应能力,其能量有效性和网络有效吞吐量均得到了很大的提高,在提升网络的整体性能上作用明显。 5.提出了一种基于链路级功率控制的分簇路由算法。针对非均匀网络环境下链路层的能耗控制问题,提出了一种基于链路级功率控制的分簇路由算法(CLPC算法)。CLPC算法基于最优连通功率成簇,并利用双信道机制和干扰反制策略在网络层解决链路层的冲突重传及信道访问公平性等问题,以期达到提高网络整体性能的目的。最优连通功率机制可以减少网络中节点问的冲突域、降低节点间的竞争强度;双信道机制则通过控制信道和数据信道分别对数据分组和控制分组进行收发,有利于降低数据传输的冲突概率,提高信道的空间复用率;干扰反制策略通过对具有高发射功率的干扰节点进行反制,来保障低发射功率的节点在共享信道上的公平性。实验仿真结果表明,CLPC算法进一步改善了网络的能量有效性和网络有效吞吐量。


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