無線傳感器網(wǎng)絡中長生命周期與高能效路由算法研究.pdf

1、物聯(lián)網(wǎng)技術是現(xiàn)代無線電信技術背景下的一個快速發(fā)展的新典范，它可以實現(xiàn)智能設備之間隨時、隨地的在任意物體間的網(wǎng)絡連接。無線傳感器網(wǎng)絡在智能設備實現(xiàn)無處不在網(wǎng)絡中起著重要的作用，在環(huán)境監(jiān)控、醫(yī)療監(jiān)護、應急響應、外太空開發(fā)等領域有著廣泛的應用。在傳感器網(wǎng)絡中，大量的傳感器節(jié)點被布置在一個廣闊的區(qū)域中，每一個節(jié)點都能采集周圍環(huán)境數(shù)據(jù)并通過多種通信技術將數(shù)據(jù)傳輸給遠端中心節(jié)點。無線傳感器網(wǎng)絡中的傳感器節(jié)點一般采用電池供電并預期節(jié)點電池能工作較長的

2、時間，其中節(jié)點電池不能或很難更換。因此，節(jié)點能耗問題是無線傳感器網(wǎng)絡應用中需要考慮的重點因素。由于需要同時考慮節(jié)點降低節(jié)點的能耗和延長網(wǎng)絡的生命周期，能耗優(yōu)化是一個很復雜的問題。在同構無線傳感器網(wǎng)絡和異構無線傳感器網(wǎng)絡中，許多文獻都將節(jié)能作為一個重要的優(yōu)化目標并開展了很多研究工作。然而，僅僅通過節(jié)能的方法還不足以達到延長網(wǎng)絡生命周期的目的。由于無線傳感器網(wǎng)絡中多跳路由和多對一的信息流的特點，節(jié)點的能量消耗不均是網(wǎng)絡的本質問題。節(jié)點的能耗

3、不均導致網(wǎng)絡隔斷并降低了網(wǎng)絡生命周期，從而影響了整個網(wǎng)絡的性能。因此，均衡無線傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點的能耗是無線傳感器網(wǎng)絡設計中至關重要的，需要新的節(jié)能的路由協(xié)議來延長網(wǎng)絡生命周期。
　　本論文旨在從同構傳感網(wǎng)絡和異構傳感網(wǎng)絡兩方面對節(jié)點能量消耗不均問題和最大化網(wǎng)絡生命周期進行深入分析和研究，并提出了一些新的路由協(xié)議，這些協(xié)議都能預期地均衡網(wǎng)絡中所有節(jié)點的能量消耗并保證所有的節(jié)點幾乎在相同的時間內死亡。
　　首先，基于傳統(tǒng)的gos

4、sip協(xié)議，提出了改進的fuzzy-gossip節(jié)能路由協(xié)議。Fuzzy-gossip協(xié)議旨在分析研究同構無線傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)絡生命周期問題。該協(xié)議有效的減少了冗余的路由信息，這些冗余的路由信息在網(wǎng)絡中不斷的循環(huán)浪費了大量的能量。Fuzzy-gossip協(xié)議通過選擇轉發(fā)路徑上剩余能量最大和到中心節(jié)點的距離最短的節(jié)點作為最佳節(jié)點，確定從源節(jié)點到中心節(jié)點的最佳路由路徑。為了驗證提出的路由協(xié)議在減少端到端延時和均衡網(wǎng)絡能耗方面的有效性，本論文將

5、Gossiping、LGossiping、ELGossiping和FELGossiping protocol四種協(xié)議與提出的Fuzzy-gossip協(xié)議在這兩方面進行了對比。仿真結果表明，F(xiàn)uzzy-gossip協(xié)議的網(wǎng)絡生命周期相比于Gossiping、LGossiping、ELGossiping和FELGossiping protocol分別提高了50％、40％、25％和10％。
　　其次，考慮到每個節(jié)點到中心節(jié)點的多條路徑，

6、可以通過優(yōu)化同構無線傳感器網(wǎng)絡中的路由信息量來改善網(wǎng)絡的生命周期?；诖?，提出了Fuzzy_A-star協(xié)議和模糊人工蜂群路由協(xié)議（FABCRP, Fuzzy Artificial Bee Colony Routing Protocol）。這兩種協(xié)議通過一定的路由標準（如剩余能量、最小跳數(shù)、流量負載等）來決定同構網(wǎng)絡中源節(jié)點都中心節(jié)點的最佳路徑，并通過均衡這些路由標準來最大可能的延長了網(wǎng)絡的生命周期。為了驗證Fuzzy_A-star協(xié)議

7、的有效性，本論文將其與A-star算法和fuzzy算法進行對比，相同的路由衡量標準下在兩個不同的拓撲結構下進行仿真分析。仿真結果表明，F(xiàn)uzzy_A-star協(xié)議的網(wǎng)絡生命周期相比于A-star算法和Fuzzy算法分別提高了27％和23％。FABCRP協(xié)議進一步優(yōu)化了網(wǎng)絡性能，將其與fuzzy算法、ABC協(xié)議和Fuzzy_A-star協(xié)議在相同的路由環(huán)境下進行了對比。對比結果表明，F(xiàn)ABCRP協(xié)議相比于上述三種協(xié)議，其網(wǎng)絡生命周期分別提

8、高了35％、30％和15％。
　　最后，本論文對異構傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點能量消耗不均問題和通信瓶頸問題對其生命周期的影響進行了討論分析，特別是在靠近簇頭附近的關鍵節(jié)點。針對此問題，提出了適用于異構傳感網(wǎng)絡的棋盤分簇和人工蜂群路由法的高效能路由協(xié)議(FCC-ABCRM，F(xiàn)uzzy Chessboard Clustering and Artificial Bee Colony Routing Method)。FCC-ABCRM采用模糊棋

9、盤分簇法（FCC，F(xiàn)uzzy Chessboard Clustering）這一新的分簇法開始，F(xiàn)CC采用模糊邏輯決定最優(yōu)簇頭以增強棋盤分簇的效果，ABCRM用來選擇異構傳感網(wǎng)絡的簇內和簇間的最佳路由。為了證明FCC-ABCRM協(xié)議的有效性，論文將其與ChessboardClustering(CC)、PEGASIS和LEACH三種路由協(xié)議進行對比。仿真結果表明，F(xiàn)CC-ABCRM協(xié)議的網(wǎng)絡生命周期相比于上述三種路由協(xié)議分別提高了25％、4