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随着传感器技术、微机电系统、现代网络和无线通信技术的发展,由大量传感器节点组成的无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSNs)逐渐引起了学术界和工业界的高度重视。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通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统,具有广泛的应用前景。
传感器节点一般由电池供电,由于电池能量的限制,无线传感器网络设计的一个主要目标就是最大化网络生命周期。由无线传感器网络能耗分析可知,影响能耗的主要因素有:感知数据、数据处理和无线通信,其中无线通信是能量消耗的主要环节。因此,采用能量有效的路由协议是减少网络能量消耗的有效途径。
本文首先简要介绍了无线传感器网络和常见的路由协议,详细介绍了LEACH协议并分析了其存在的问题。为了进一步改善分簇路由协议的性能,我们提出了新的簇链路由协议(Clnster-Chain Routing Protocol,CCRP)和基于簇的多径路由协议(Cluster-based Multi-path RouLting Protocol,CMRP)。在此基础上,将提出的自适应功率调整策略应用于CCRP协议中,形成了簇链信道自适应协议(Cluster-thain Channel Adaptive Routing Protocol,CCARP)。随后,对所提出的协议性能进行了计算机仿真。结果表明,所提出的路由协议可以有效延长无线传感器网络的生命周期。最后,对所提出的协议和实验结果做了分析,并对全文做了总结。
论文的创新点和主要研究工作如下:
1.提出了CCRP协议和CMRP协议。它们采用新颖的簇构造方法和簇头选择算法,可以保证簇头在网络中分布比较均匀。CCRP协议中簇头之间利用贪婪算法形成一条链,簇头沿着这条链将数据传送到基站:而CMRP协议中簇头之间形成多条链,簇头沿着其所在的链将数据传送到基站。
2.提出了自适应功率调整策略。当前提出的大多数无线传感器网络的路由协议的无线通信模型都采用一阶无线模型,节点仅根据距离调整发射功率的大小,而忽略了实际通信中噪声的时变特性。本文提出了一种自适应功率调整策略,节点可以根据发射端与接收端的距离和接收端的噪声大小动态调整发射功率以保证所需的包接收率(Packet Reception Rate,PRR)。自适应功率调整策略应用于CCRP协议中,形成了CCARP协议。
3.对协议进行性能分析。通过Visual C++6.0仿真了各种协议的性能,对网络大小、节点密度、基站位置、簇的大小、节点初始能量等参数变化引起的性能变化作了细致的分析。仿真结果表明,本文提出的CCRP协议、CMRP协议和CCARP协议均可以有效延长无线传感器网络的生命周期。本文的仿真结果对今后的研究与设计工作具有一定的参考价值。