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非均匀无线多媒体传感器网络路由算法及其仿真与研究

张军  
【摘要】: 无线多媒体传感器网络(Wireless Multimedia Sensor Networks,WMSNs)是在无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSNs)的基础上加入了功能强大的视频、音频等多媒体采集设备,由多媒体传感器节点组成的一组具有感知、计算和通信能力的分布式网络系统,通过节点上的多媒体传感器采集监测环境的多媒体信息(音频、视频、图像等),并以多跳的方式将数据汇集到汇聚节点,实现全面、细粒度、精准确的环境监测。WMSNs具有十分广泛的应用前景,能够应用于军事侦查、环境监测、健康护理、城市交通、空间探索等。 由于WMSNs的应用环境复杂多变、节点携带能量和传感器网络的无线通信带宽十分有限及多QoS(Quality of Service, QoS)要求,使得设计高效的WMSNs路由协议面临巨大挑战。因此,如何设计能够有效节约节点能量而且均衡网络能量消耗、支持多QoS及多路径传输的WMSNs路由算法已经成为WMSNs研究的热点,也是WMSNs研究的关键问题之一。 本文深入研究了当前主流的WMSNs路由协议,对支持多QoS路由协议、多路径路由协议及其能量敏感的路由协议分别进行了分析和对比,总结了各自的优缺点及适用场景,并提出了一种基于地理位置的非均匀及能量感知的无线多媒体传感器网络路由算法(Under Non-uniform Energy-aware and Location-aware Routing Algorithm, NELA)。NELA算法既可以适用于非均匀网络中,也可以适用于均匀网络中,并通过OPNET (Optimized Network Engineering Tool)仿真软件平台与经典的LEACH(Low-energy Adaptive Clustering Hierarchy)协议进行了仿真比较,实验结果表明NELA算法在传输时延、可靠性和网络能量均衡方面具有更优良的性能。 NELA路由算法假设每个节点知道目的节点(Sink节点)的位置信息,当传感器网络初始化以后,节点首先发现自己的邻居节点,并根据邻居节点的数量在一定角度范围内选择前向区域,在前向区域中的节点为前向邻居节点,并在前向邻居节点中选择下一跳节点。当探测到前向邻居节点为空时,扩大前向区域的角度,以此来扩大前向区域的范围,直到找到一个符合要求的节点。当网络中有数据需要转发或者发送时,发送节点根据QoS要求及邻居节点的剩余能量选择符合条件需求的前向邻居节点,记录其ID并依次选择下去,至到到达目的节点,源节点根据找到的路径将数据传输到Sink节点,如果某节点造成路由空洞,则告知链路中的前驱节点重新进行前向节点的选取。 由于WMSNs中的节点能量有限,个别节点能量枯竭后不能被利用,而且WMSNs中的节点也会被添加或者被移除,因此在邻居发现过程中,节点会按照一定的时间间隔周期性的探测邻居节点,寻找自己的邻居节点,以实现简单拓扑变化的网络。


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