认知无线传感器网络业务驱动的分簇路由协议研究

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路由协议能实现认知无线传感器网络(Cognitive Radio Sensor Network,CRSN)监测数据的有效传输。相较平面路由协议,分簇路由协议能显著降低路由选择的复杂度和数据包的端到端传输时延,提升网络的可扩展性。因此,CRSN分簇路由协议设计受到了学术界的广泛关注。依据驱动业务类型的不同,CRSN分簇路由协议可分为时间触发型和事件驱动型两类,它们各具优势。具体来说,时间触发型CRSN分簇路由协议能实现对网络的持续监测,而事件驱动型CRSN分簇路由协议由特定事件触发,更有利于节省能量。为同时服务两种类型业务并保证紧急事件信息的及时传递,本文提出了一种业务驱动型CRSN分簇路由协议,具体研究内容包括:第一,由于离子运动优化(Ions Motion Optimization,IMO)算法流程简单且易于实现,输入参数仅有种群数目一项,适用于解决分簇类问题。因此,本文在IMO的基础上提出了一种时间触发型CRSN分簇路由协议,即CRSN离子运动分簇路由协议(Ions Motion Optimization-based Clustering Routing Protocol,IMOCRP)。IMOCRP在考虑频谱动态性的同时以最小化节点能耗和平衡节点间剩余能量为目标对网络进行分簇。IMOCRP能自动确定簇头和最优簇数,避免了节点间过多的信息交换,从而节约了节点能量。仿真结果表明,IMOCRP在延长网络使用时间、提高包递交率、适应主用户动态接入、降低数据包时延、降低算法复杂度及提高能量覆盖效率性能等方面明显优于现有的时间触发型CRSN分簇路由协议。第二,在IMOCRP的基础上,提出了业务驱动型IMOCRP(Business-Driven IMOCRP,BD-IMOCRP)协议。BD-IMOCRP采用特殊的Fr帧结构,能同时适用于时间触发型业务和事件驱动型业务,并保证对网络影响较大的事件驱动型业务信息的及时传递,因此,该协议的应用范围更加广泛。仿真结果表明,BD-IMOCRP在降低节点能耗和事件信息传输时延等方面优于现有的事件驱动型CRSN分簇路由协议;其服务时间触发型业务时的性能与IMOCRP协议类似,明显优于大多数现有的时间触发型CRSN分簇路由协议,即较好的兼顾了两种业务类型。本文通过对CRSN分簇路由协议的深入研究,提出了同时适用于时间触发与事件驱动两种业务类型的分簇路由协议,克服现有分簇路由协议仅服务单一业务类型的局限性。研究成果有助于提升CRSN整体网络性能,保证监测数据及时有效的传递。
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