无线传感器网络节能路由算法研究

摘要 论文以节约能量、延长网络生命周期为主要目的，首先介绍了无线传感器网络的概念、体系结构、特点、应用、研究现状以及研究热点问题，然后详细研究了无线传感器网络中已经提出的典型节能路由协议、数据融合算法和能量均衡算法，对各算法的优缺点进行分析和比较。本文的工作主要包括以下三个方面: 第一，为提高节点能量使用效率和延长网络生命周期，提出一种新的高能效的路由算法—基于低功耗自适应簇类路由算法B-LEACH该算法利用能量和距离参数对簇头进行预测，并将功率控制这一机制引入分簇路由和数据传输的过程中，从而使节点的平均能耗降低，并延长网络的生存时间。 第二，详细分析和推导节点能量消耗不均衡与均衡两种情况下无线传感器网络的四个性能指标—网络生命周期、分组平均传输延迟、总能量消耗和网络吞吐量，并进行比较。比较的结果表明采用能量均衡策略的网络的总体性能明显优于不采用能量均衡策略的网络，因此在无线传感器网络中很有必要采取一定的能量均衡策略，以保证节点之间的能量消耗是均衡的。在此基础上，提出一种能量均衡策略EBS，该策略通过对热点节点的保护实现网络的能量均衡。 关键词：无线传感器网络，路由算法，B-LEACH，节能 v:* {behavior:url(#default#VML);} o:* {behavior:url(#default#VML);} w:* {behavior:url(#default#VML);} .shape {behavior:url(#default#VML);} 研究背景和意义 无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术 等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息通过无线方式被发送，并以自组织多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通。 最早的无线传感器网络研究源于1978年，它是由美国国防部高级研究规划署资助的一个关于分布式传感器网络的研究小组发起的，该组织的研究成果被用于美国军队监视系统中。接下DARPA在上世纪90年代中期资助了LWIM项目，该项目在 1998年又演变为? sensor计划，此计划旨在研究大规模分布式传感器系统在军用上的性能。总共有29个研究项目和25个研究机构受到sensate计划的资助，其中比较著名的有加州大学洛杉矶分校的项目，麻省理工学院的林 Amps项目等等。进入21世纪后，美国陆军和海军为了提高作战能力，.使军队的情报侦察和获取水平产生质的飞跃，开始对无线传感器网络进行新一轮的大规模研究和开发。其中比较著名的项目包括美国陆军的“灵巧传感器网络通信”项目、“无人值守地面传感器群”项目、“战场环境侦察与监视系统”项目以及美国海军的“传感器组网系统”项目、“网状传感器系统”项目 等。与此同时，无线传感器网络的研究也逐渐拓展到民用领域，并引起了世界各个国家研究机构的高度重视，其中比较著名的包括美国Sandier国家实验室与美国能源部于2002年5月合作研究的反恐系统，该系统能够尽早发现以地铁、车站等场所为目标的生化武器袭击，并及时采取防范对策;美国交通部提出的“国家智能交通系统项目规划”，该规划项目旨在将无线传感器技术运用于整个地面交通管理，建立一个在大范围内、全方位发挥作用、实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。除此之外，以美国英特尔公司为首的信息业巨头们也开始了这方面的工作，纷纷设立或者启动相应的行动计划。2002年10月，英特尔公司发布了“基于微型传感器网络的新型计算发展规划，此规划致力于开发集成度很高的超微型传感器(也称智能灰尘 smart Dust)，并将超微型传感器应用到预防医学、环境监测、森林灭火乃至海底板块调查、行星探查等领域。可以说目前无线传感器网络的研究正步入一个“百花齐放，百家争鸣”的繁荣时期。 在我国，1999年在中国科学院《知识创新工程试点领域研究方向》的“信息与自动化领域研究报告”中，作为该领域的重点项目“重点地区灾害实时监测、预警和决策支持示范系统”被提出。2001年，中国科学院依托上海微系统所成立微系统研究与发展中心，陆续部署了若干重大研究项目和方向性项目。2004年9月，成果在北京进行了大规模外场演示，部分成果己在实际工程中应用。目前我国开展这一领域研究工作有:无线传感器节点的硬件设计、操作系统、网络路由技术、节能技术、覆盖控制技术等。总的来说我国对无线传感器网络的研究还处在起步阶段，研究水平与国外同行相比还存在相当大的差距。因此对无线传感器网络进行理论研究和协议设计，尽快占领这一高新技术领域，对促进国民经济的发展具有重要的意义。 1.2研究目的和意义 由于无线传感器网络的巨大应用价值，它已经引起了世界许多国家的军事部 门、工业界和学术界的极大关注，都纷纷开展了该领域相关的研究工作。由于无线传感器网络处于新技术的最前沿，IEEE还没有成立无线传感器网络的标准制定小组，国际上从2000年开始出现一些有关传感器网络研究结果的报道。但是，这些研究成果处于起步阶段，距离实际需求还相差甚远。总体而言，我国在无线传感器网络方面的研究工作还不是很多。由于无线传感器网络是一门新兴技术，国内与国际水平的差距并不是很大，及时开展这项对人类未来生活影响深远的前沿科技的研究，对整个国家的社会、经济将有重大的战略意义。 无线传感器网络存在着严重的能量约束，而传统无线网络的路由协议和算法并没有考虑节能因素，因此，传统无线网络的路由协议和算法不能适用于无线传感器网络，我们必须设计全新的、适合于无线传感器网络特点、充分考虑能量因素的节能路由协议以及算法。本文拟从节能路由、快速数据融合、能量均衡这三个方面对无线传感器网络节能路由的相关算法进行研究，提出具有实用性的无线传感器网络的节能路由协议和能量均衡算法，设计出符合无线传感器网络特点的快速数据融合方案。 ? 1.3研究内容 论文共分为五个部分。 第一章介绍了本论文的课题背景，阐述了本课题的研究目的以及意义，并明确了本文的贡献。 第二章是对无线传感器网络的概述，介绍了无线传感器网络的概念、体系结构、协议栈的分层模型;进一步说明了无线传感器网络的特征、应用以及国内外研究进展等内容;最后总结了无线传感器网络的主要研究热点问题。 第三章是对无线传感器网络中现有节能路由相关算法的分析研究，分成三个部分进行分析，分别是无线传感器网络中的节能路由协议、数据融合算法以及能量均衡算法，并对这些路由算法的优缺点进行了综合比较，明确了研究工作的重点问题。 第四章提出了一种新的高能效的路由算法，该算法基于簇头预测和功率控制，经仿真验证，该算法可以有效节约节点能量消耗，延长网络生命周期。 第五章是对所做工作的总结和对未来研究工作做了展望。