无线传感器网络低功耗数据路由协议与传输技术研究.pdf

文档介绍：摘 要
伴随低功耗无线通信技术、微型传感器技术、微机电技术、嵌入式技术和计
算机网络技术发展而产生的无线传感器网络，是一种新型的数据采集手段，在国
防、环境和医疗等领域都具有广泛的应用前景，是当前计算机网络研究的一个极
为重要的创新领域。
设计符合无线传感器网络特点的数据路由技术是无线传感器网络研究的重要
内容。分簇路由协议在网络扩展性、通信效率和能耗性能等方面所具有的明显优
势，成为路由协议重要的发展方向。由于传感器网络的通信特点，分簇路由协议
存在能耗分布不均衡、簇群之间通信能耗高以及构造能耗性能最优簇群等问题，
影响了网络的生存期。
本论文在对当前无线传感器网络路由协议成果的系统学****和总结基础上，对
分簇路由协议中有关网络能耗分布、网络节点之间低能耗数据传输技术和簇群构
造等相关问题展开了研究，取得了以下创新性成果：
(1) 提出了能量均衡的簇群范围控制算法 ECRC(Energy-balanced Cluster
Range Control algorithm)。在基于分簇的多跳传感器网络中，距离汇集节点较近的
簇头需要转发距离较远的簇群的感知信息，转发数据量大，能耗高，节点的生存
期短，造成簇群之间能耗的不均衡。ECRC 算法根据各个簇群与汇集节点之间距离
的远近来确定簇群的范围，靠近汇集节点的簇群由于转发能耗高而具有较小的范
围，以降低簇群内部能耗，弥补转发能耗；而远离汇集节点的簇群因转发数据量
小，而具有较大的范围，覆盖更多的节点，增大簇群自身能耗，实现簇群自身能
耗与转发能耗之间的平衡，消除网络中的“热点问题”。实验结果表明，ECRC 算
法在能耗和生存期性能指标方面不但比簇群范围相同的路由算法具有明显优势，
而且，由于结合了数据融合技术，ECRC 算法还优于相同思想的 EEUC 算法，特
别适用于大规模的无线传感器网络应用。
(2) 提出了协作 MIMO 模式数据传输的能量消耗分析模型。多节点共同参与
的协作 MIMO 数据传输方式与分簇路由技术相结合，是设计低能耗数据路由的发
展方向。为研究 MIMO 技术在多跳传感器网络中的能耗情况，本文提出的能量消
耗分析模型，可以将复杂的 MIMO 模式下能耗问题转化为易于求解的 SISO 通信
模式下的最优化问题，从而计算出网络能耗最小时的系统参数值，实现了通信能
I
耗与电路能耗的共同优化。仿真结果表明，通过选择最优的网络参数，在多跳的
分簇无线传感器网络中利用 MIMO 技术能显著地降低网络能耗，延长网络的生存
期。
(3) 提出了无线传感器网络能耗最优簇群的构造策略。簇群内部的通信模式和
簇群的拓扑结构决定了簇群的能耗。本文解决了以下三个簇群能耗问题：单跳、
多跳两种通信模式下，网络能耗最小时，节点通信半径的表达式；簇群内采用多
跳通信模式时，建立最小能耗多跳链路，实现簇群内成员节点与簇头通信能耗的
最小化，降低整个簇群的能耗；提出一种在簇头和普通节点部署密度不均匀的情
况下，能耗均匀的簇群构造方法。该方法兼顾了成员节点与簇头的通信能耗以及
各个簇群自身的能耗负载，实现了各簇群间能耗的平衡。仿真结果显示，以上三
种方法都能显著地降低簇群的能耗，满足传感器网络低功耗的要求。
(4) 提出了分布式传感器网络节点标识生成算法。算法在基于概率和生日悖论
基础上，推导出满足节点标识重名概率非常小的情况下，节点数量和标识空间大
小之间的关系表达式。同时，推导出用于在两个传感器网络合并时，节点是否需
要重新选择标识的评判标准。算法分布式执行，不需要节点之间的通信与协作，
也不需要控制节点的参与，满足低功耗的要求，适合用于需要节点标识的传感器
网络应用。


关键词：无线传感器网络，路由算法，层次路由协议，分簇路由协议，多跳通信，
多跳路由，协作 MIMO 模式，能量高效，分布式标识生成算法

II
ABSTRACT
Advances in low-power wireless co