基于数据聚合的无线传感器网络分簇协议

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无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成,通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域内感知对象的信息,并发送给观察者。无线传感器网络可广泛应用于军事国防、城市管理、医疗卫生、环境监测、抢险救灾等诸多领域。传感器节点的能量有限,传感器网络的寿命有限,因此如何设计高效节能的数据处理和路由转发协议、建立具有较好的鲁棒性和可扩展性的网络结构是无线传感器网络技术走向实用的关键问题之一。路由协议是无线传感器网络研究的核心技术之一,它解决的是数据如何在网络中进行传输的问题,它的性能与整个网络的性能密切相关。由于传感器节点采用电池供电,能量十分有限,一旦投放使用,将很难再补充能量,因此如何利用有限的能量,有效延长网络的生命周期始终是一个关键问题。分簇路由协议通过对网络进行有效分簇和数据聚合,能够大大减少网络中冗余信息的传递,从而有效提高网络性能,因此成为目前研究的一个热点。数据聚合技术是指传感器节点对采集到的或接收到的其它传感器节点发送的多个数据进行处理,消除冗余信息,将多个分组合并成一个分组,然后向下一跳转发。数据聚合技术可以减少无线传感器网络中传输的分组数量,减小Sink节点接收到重复分组的概率以及提高监测结果的准确性,具有较好的节能效果。针对传统的分簇网络缺乏数据聚合优化策略的问题,本文提出了一种基于数据聚合的分簇协议DACHP,包括基于节点密度的分簇算法以及低延时数据聚合算法。首先,Sink节点根据网络密度划分簇,同时簇中间节点当选为中心节点;然后中心节点依据节点剩余能量及簇内能耗选举簇首;数据传输过程中则采用低延时数据聚合算法,包括簇内动态TDMA机制以及基于数据聚合的簇首分组转发机制。仿真实验表明DACHP协议能够有效均衡节点间开销,提高能量有效性,降低网络整体能耗,从而明显提高网络的生命周期;减少传输的数据分组,提高网络通信效率;RTS/CTS数据转发机制减小了数据回传时延,并具有良好的鲁棒性和扩展性。
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