基于最优连通功率控制的WSNs跨层路由优化算法

作者:孙毅;孙跃;曾璐琨;陆俊 刊名:传感器与微系统 上传者:王良君

【摘要】针对非连通区域节点空洞效应和热点区域节点间通信干扰导致的路由服务质量(QoS)下降问题,提出了一种基于最优连通功率控制的无线传感器网络(WSNs)跨层路由优化算法。算法采用自适应最优连通功率控制策略,在避免路由空洞产生和保证网络连通性条件下,降低热点区域节点数据转发竞争干扰;通过位置信息、剩余能量和干扰等级的跨层信息交互,动态选取最优转发节点,提高网络整体性能。仿真实验表明:算法能够提高路由(QoS)、优化网络生命周期和降低热点区域通信干扰。

全文阅读

0引言网络生命周期延长优化是无线传感器网络(wirelesssensornetworks,WSNs)[1]路由算法设计的首要研究问题。但由于传感器节点能量受限,且随机部署,拓扑结构变化频繁,传统的路由协议难以保障网络链路的稳定性和数据的实时性等要求。而功率控制技术不仅能够有效控制并降低无线通信过程中的能耗,同时对路由协议中转发节点的选择和数据融合中融合节点的选择起着重要的作用[2],是延长WSNs生命周期、实现服务质量(qualityofservice,QoS)支持的有效手段。跨层路由优化是通过节点自适应功率控制机制,在保证网络连通性和减少通信干扰条件下,提高数据实时、可靠的传输,同时优化网络能量利用率[3]。目前,研究者们针对能量高效的跨层路由协议已经取得一些研究成果。文献[4]采用一种自适应优化转发候选集和发射功率机制,延长网络生存周期;文献[5]通过消除冗余节点和休眠调度机制设计了一种节能型路由算法;文献[6]基于最优邻居节点数的建立功率调度表,并对干扰节点发送反馈帧控制其睡眠/侦听,从而降低通信能耗;文献[7]在AODV路由协议的基础上,为节点分配不同的功率等级,包括:广播功率、单播功率和最大发射功率,以有效降低数据传输的能耗。文献[4~7]虽然大部分算法在选取下一跳节点时综合了剩余能量因素,以延长网络生命周期,但是,以上算法没有全面地考虑网络连通情况和可能产生的空洞现象,易导致数据传输的实时性和可靠性下降。针对上述问题,本文提出了一种基于最优连通功率控制的跨层路由优化(cross-layerroutingoptimizationbasedonoptimalconnectivitypowercontrol,CRCP)算法。算法通过最优邻居节点数确定节点最优连通功率,以此来实现网络最优连通,降低热点地区干扰程度;综合节点干扰等级、剩余能量和位置信息动态选取下一跳节点,延长网络生命周期,保障路由QoS。1CRCP算法1.1问题描述CRCP算法重点解决两个方面问题:一方面是MAC层针对不同类型数据包进行功率等级的调整,并将节点MAC层的功率调度信息提供给物理层;另一方面,网络层通过共享物理层的节点状态信息来动态选取最优转发节点,建立QoS保证的传输路径。GPSR算法[8]基于局部最优的贪婪算法,无需维护网络拓扑,路由开销小,但是容易造成局部节点死亡,导致网络割裂。每个节点以固定的功率等级传输数据,不仅造成了过多的能量开销,还易形成热点区域。固定功率(通信半径R=100m)网络连通性与节点干扰强度如图1所示。0100200300400500Y轴/m100200400300500X轴/m图1网络连通性与节点干扰强度图(R=100m)Fig1Networkconnectivityandnodeinterferencestrength(R=100m)为了降低节点竞争强度和通信能耗,通常需要节点采用较小的发射功率,这使得网络连通性变差,从而导致许多节点无法建立稳定的通信链路,形成孤岛节点群现象,固定功率(通信半径R=60m)网络连通性与节点干扰强度如图2所示。0100200300400500Y轴/m100200400300500X轴/m图2网络连通性与节点干扰强度(R=60m)Fig2Networkconnectivityandnodeinterferencestrength(R=60m)因此,如何降低高密度区域节点的冲突区域,保证节点竞争信道的公平性和选择低干扰、高能效的路由进行数据传输,是WSNs功率控制路由协议研究的重点问题。CRCP算法分为最优功

参考文献

引证文献

问答

我要提问