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无线传感器网络路由优化算法及充电规划研究

鲁芝琳  
【摘要】:无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSNs)是一种分布式传感器网络,是物联网的很重要组成元素之一。主要通过感知周围信息,以逐跳的方式将获得的信息传送到基站(Base Station,BS)。目前大多数WSNs中传感器节点由电池提供能量,对其网络寿命限制极大,导致其推广和应用受到了严重的影响。因此,延长网络寿命一直都是WSNs中重要研究方向。针对这一问题,目前主要采用节能的路由策略和采用主动供能的充电技术来延长网络寿命。本文主要从无线可充电传感器网络(Wireless Rechargeable Sensor Networks,WRSNs)路由算法和充电规划两方面对网络进行优化。在路由算法方面,提出一种基于负载均衡策略路由优化算法(Equilibrium Strategy Based Routing Optimization Algorithm,ESRA)。ESRA从传输能耗、节点剩余能量和路径跳数的角度出发,定义了链路代价,并依据链路代价计算出基于最短路径的最小路由图。然后提出了一种“砍边”策略,对最小路由图进行优化后得到最小路由树,以此得到每个节点的数据转发路径。但由于ESRA算法在数据传输中都要频繁计算网络的拓扑结构,算法的复杂度较大,为降低计算复杂度,本文又提出了一种基于改进TOPSIS的路由算法。改进的TOPSIS算法充分考虑各个属性量纲的差异性,使得相对数值小的属性指标也能够在路由决策中发挥重要作用,从而使节点间能量分布更加均衡。Matlab平台仿真结果表明,虽然改进的TOPSIS算法降低了运算复杂度,但是延长网络寿命和数据传输可靠性方面效果比ESRA略差。因此,在选择路由算法时,需要从节点设备成本和网络性能两方面做权衡,采用适合网络运行的路由算法。此外,为了从根本上提高网络寿命,将无线充电技术分别引入上述两种路由算法运行的网络中。在充电规划方面,综合考虑网络中节点的能量状况和空间位置,提出了一个步进式的充电策略,该充电策略充分考虑充电路径周边节点的能量状况,尽力而为对这些节点进行能量补充,以最大化无线充电设备(Wireless Charging Equipment,WCE)的充电能效。同时,对于以上路由策略及充电规划,建立合理的性能指标及对比算法,研究在不同参数下网络性能的变化情况。由仿真结果可知,本文路由和充电的联合算法能够有效延长网络寿命,降低丢包率,从而提高传输数据的可靠性。


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