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异构传感网中分层路由算法设计

陈子豪  
【摘要】:随着物联网产业的蓬勃发展,无线传感器网络为其提供了区域感知、数据采集等多方面的应用支撑,而信息路由协议是影响是影响传感网性能的重要研究领域。各传感器节点一旦被放置则难以改变位置更换电池,节点间一般采用单跳或多跳的形式实现自组织通信,单一的随意路由选择极易造成网络资源浪费,形成“能量空洞”等现象。因此,应对不同应用场景,链路的不同需求,应设计具有针对性的网络路由算法。论文针对层次型路由算法在节点异构网络环境下开展研究。从提高系统鲁棒性入手,在满足基本网络通信的基础上,结合现有的无线传感器网络模型,搭建高效稳定的路由链路。从而解决网络“热区”、生命周期较短及节点能耗不均匀等问题,主要完成创新工作包括:(1)提出了一种以扇区均衡为目标,逐层引导的路由算法(Even Sector Hierarchical Routing algorithm,ESHR)。改变单一物理空间的均匀切分,建立热区层、层内、层间多角度下的约束,设计出以参考节点负荷和通信能力为依据的可扩展扇形划分方案,确定扇区各指标的量化表达,从网络系统级上避免了单簇跨度过大的能耗隐患。除侧重能量考量外,引入平均邻居跨度、基站跨度、扇区信息作为簇首和候选路由的依据,构建了具有网络普适性的定向层次路由,改善通信效率和避免能量塌陷的同时,以稳定的节点单体能耗实现了整体网络的寿命延长。(2)设计了一种可移动Sink模式下基于虚拟力引导的异构网络高效数据采集算法(Virtual Force-Based Routing algorithm for Moblie-Sink Netoworks,VFMS)。以异构节点最小通信半径为参考,网络虚拟划分成簇,避免节点因距簇首过远被孤立的问题;引入移动Sink,搭建以虚拟力指导的Sink节点移动方向,保证全局信息高效汇总;利用停留时间作为考量,为控制数据时延问题提供了良好的解决方案。VFMS增强了动态Sink模式下的链路质量,有效的避免了静态单汇聚情况下过度复杂路由拓扑的构建,延长了网络的运转周期。(3)针对网络规模的不断扩大,提出了一种在多移动Sink参与下的大规模传感网络中,具备自适应性高效组网算法(Adaptive and Efficient networking algorithm for large sensor network with Multiple Mobile-Sink,AEMM)。各移动汇聚节点在初始部署的条件下,结合“分而治之”的思想,分管各网络子域,避免了各Sink节点路径重叠及路由数据冗余的情况,同时规避了由于Sink节点移动速度及普通节点数据时延所造成的信息缺失问题;各个子区域中,Sink在初始轨迹的基础上,依据网络剩余节点状况自适应做出路径变更,提高采集效率;簇首节点综合多方因素形成动态簇半径,搭建簇内及簇间优质通信链路,有效提高了节点的能量利用率。


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