基于能量优化的无线传感器网络分簇路由协议研究

摘要

无线传感器网络是由大量廉价的、具有感知能力和通信能力的嵌入式节点构成的以数据为中心的无线网络,能广泛应用于军事侦查、医学研究、灾害预防、环境监测等领域,具有重大的研究价值和意义。传感器节点通常采用电池供电,一旦能量耗尽则宣布节点死亡,会严重影响网络拓扑结构,缩短网络寿命,降低网络服务质量。因此提高能量使用率是无线传感器网络研究的重要问题之一。
　　本文从提高能量利用率的角度研究和改进路由协议,通过优化分簇效果,提高负载均衡性等途径,降低网络能耗,延长网络寿命。本文主要研究内容分为以下两部分:
　　(1)本文通过研究网络的分簇效果对网络能耗的影响,在分簇较为理想的HEED(A Hybrid Energy-Efficient Distributed clustering approach)路由算法的基础上,深入研究该算法存在的收敛速度慢和“孤儿节点”问题,提出一种均匀分簇的HEED-CHOP(Hybrid Energy Efficient Distributed-Cluster Head Optimize Protocol)协议。通过改进初始概率的计算方法,提高算法收敛速度;引入一种间接入簇的策略,使“孤儿节点”加入相邻的簇头,避免额外簇头的产生。HEED-CHOP算法在网络分簇阶段,从降低簇内通信能耗、减少控制报文开销两方面提高能量的有效性。
　　(2)本文从负载均衡的角度出发,针对无线传感器网络在数据通信阶段易出现的“漏斗效应”和“热点”问题,提出一种簇间通信协议 ICLE(Inter-Cluster Load Even)。该协议引入了负载均衡树的思想,引导数据流均衡分布于网络;同时采用一种轮换转发策略,能有效的降低下游节点数据转发的压力。ICLE能达到全网范围内的负载均衡目的,提高能量的有效性。
　　本文采用MATLAB仿真工具分别对HEED-CHOP和ICLE分别进行仿真验证。实验结果表明:HEED-CHOP能明显优化分簇质量并提高分簇效率,消除“孤儿节点”产生的无意义的簇头;ICLE簇间协议能够均衡网络负载,延长网络寿命。本文在提高无线传感器网络能量有效性研究方面进行了有益的理论探讨,为下一步的实际应用奠定了理论基础。