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基于地理位置的无线多媒体传感器网络能量敏感多路径路由算法研究

杨涛  
【摘要】: 无线多媒体传感器网络(wireless multimedia sensor networks, WMSNs)是在传统无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSNs)中引入具有感知音频、视频、图像等多媒体信息感知设备的一种新型传感器网络。多媒体传感器节点通常由CMOS摄像头、微型麦克风以及其它具有多媒体信息采集功能的设备模块构成,无线多媒体传感器网络的随机布设、自组织、环境适应以及多媒体信息全面感知等特点,使其在环境监测、灾难营救、目标跟踪等领域有广阔的应用前景。其研究具有很强的理论意义和实用价值,WMSNs已引起了军事界、学术界和工业界的高度重视,近些年已成为研究的热点。无线多媒体传感器网络将传统无线传感器网络的自组织、无人值守等优点与多媒体技术感知媒体信息丰富等优势相结合,一方面具备传统无线传感器网络的自组织、多跳路由、资源受限等共性,另一方面在能耗分布、QoS要求、传感模型等方面具有自身显著的个性化特点。WMSNs中多媒体信息传输数据量较传统WSNs传输的数据量要大,单条路径传输难以保证网络的稳定性,因此需要采用多路径传输方式以满足WMSNs的应用需求。由于传感器节点布设后电池不可更换以及节点的计算、通讯、存储能力有限等特点,决定了WMSNs路由算法设计必须要以节能为主要目的,最大限度地延长网络的生存期。本文通过对现有路由算法的研究以及无线多媒体传感器网络特点的分析。(1)提出一种能量敏感的多路径路由算法EACM(Energy-aware compass multi-path)。该算法综合考虑传感器节点剩余能量以及节点偏离目的节点的程度,选择下一跳节点。通过平衡参与路由的各节点的剩余能量差异以确保每条路径中各节点的剩余能量差异最小化,该算法能够使网络能量均衡消耗从而达到延长网络生存期的目的。本算法根据具体应用需求,设置能量权值与偏移角权值。通过调节权值可以改变多路径间聚集程度,从而调节多路径条数和路径上的时延。算法首先在前向区域内优先选择剩余能量与偏移角最优的节点作为下一跳路由节点,当该区域内无可用的邻居节点时则将选择区域扩大至整个邻居区域。当遇见路由空洞时,该算法启动标记回退策略动态地绕过空洞区域,从而保证路由发现的成功率。在路由发现结束后算法的路径优化策略能对路由路径进行优化,最大限度地减少路径时延。WMSNs在很多特殊的应用场景下,如目标跟踪、环境监测等,在敏感区域通常需要布设更为密集的传感器节点,因此WMSNs节点分布通常呈现非均匀分布。(2)针对节点分布非均匀的WMSNs提出EACM的改进算法UEACM(Uneven Energy-aware compass multi-path)。该算法可根据节点布设的稠密程度,调节选择区域的大小,在保证网络健壮性的同时能有效减小时延,延长网络的生存期。 本文通过仿真实验,在节点均匀分布与非均匀分布两种环境下,从网络生命周期、路由平均跳数、网络能量均衡性、路由路径总条数多个方面与经典的TPGF算法进行了比较。仿真实验结果表明EACM与UEACM较TPGF能较好地均衡网络能耗,有效地延长网络生存期并且能通过改变能量权值与偏移角权值,调节多路径总条数与路径上的时延,具备良好的适应性。


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