基于锚节点的低能耗无线传感器网络避障路由算法研究

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无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)是由大量低功耗微型传感器组成的自组织无线感知网络,应用十分广泛,国内外研究成果丰富。但对WSN中存在障碍物从而引起的节点能耗过高的问题还没有很好地解决,而在很多实际应用场景中障碍物不可避免,因此建立有效的路由链路躲避障碍进行数据传输是十分重要的。本文针对该问题,通过有效设置WSN中的锚节点,提出了一种改进的基于锚节点的分簇避障路由算法和一种基于动态系数的混合避障路由算法,主要工作如下:
  1.在WSN中有障碍物存在时,传统避障路由算法中大多通过设置锚节点来进行避障。如果锚节点设置的不是十分有效合理,往往会导致障碍物区域或空洞边界节点利用率降低以及数据拥塞问题;此外,传统分簇路由算法的节点利用率较低,能量消耗较高,且无法有效避障。针对此问题,本文提出一种改进的基于锚节点的分簇避障路由算法。我们通过改进的算法公式实现对锚节点的动态标定,减少障碍物区域或空洞边界孤立节点的出现,有效收集障碍区域数据信息,从而在提高节点利用率的同时实现避障。另外,通过改进分簇路由算法数据传输方式,在簇头收集完簇成员数据信息后,选取合适的簇头或锚节点作为下一跳节点。通过此方法,减少了因转发大量数据而死亡的簇头数量,均衡了网络能耗,提升了网络生命周期。在节点均匀分布以及非均匀分布的网络中,改进的算法与HARR(Hole Avoiding Re-Routing protocols)、HBF(Hole-bypassing Forwarding Protocol)及BEER(Balanced Energy Efficient Clustering Routing)等经典的算法进行了仿真对比。仿真结果表明,相较于传统的算法,改进的算法网络节点到sink节点平均跳数最多可减少8.1跳;节点总能耗至少降低4.6%;节点存活率和利用率至少提高11%和3%。
  2.当WSN中存在障碍物时,由于障碍物造成节点能耗过大,存在“热区”问题,而传统的避障路由算法又不能很好地解决。针对此问题,本文在HYMN(HYbrid Multi-hop routiNg)算法的基础上提出一种基于动态系数的混合避障路由算法。首先把网络划分为SCA(SinkCloseArea,临近sink节点区域)、障碍区域以及无障碍非SCA区域。其次在SCA区域使用链式算法进行数据传输;同时在障碍物区域采用PEGASIS(Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems)算法,通过在障碍物四周设置锚节点,辅助障碍物附近节点选取leader节点,收集障碍物附近数据并传输,从而实现避障功能。在无障碍非SCA区域采用分簇算法,利用节点间平均距离及剩余能量进行簇头选取。通过改进的动态系数公式使簇头分布更加合理,簇成员节点能更有效地入簇。簇成员节点在数据传输时,选择将数据传输至距离自己最近的簇头节点,从而减少数据传输时的能耗。通过仿真实验对比于HAIR(Hole Avoiding in Advance Routing ),GEAR(Geographic and Energy Aware Routing),SHORT(Shortest Hop Routing Tree )等经典算法,改进的混合算法节约能耗最高可达9.9%,每个节点能耗至少降低3.36J,节点存活率至少提高了16.3%。
  本文改进的两种算法相较于几种经典的算法在整体性能上都有了一定的提升,且能有效避障。我们改进的算法进一步优化后可以应用到湖泊、沼泽、峡谷以及停车场和图书馆等实际场景中;能够有效降低数据传输时延,均衡网络能耗,提高网络生命周期,进而降低产品的能耗,延长网络的使用寿命。
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