基于能量捕获的无线传感器网络路由算法研究

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近年来,无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSNs)已深入到我们日常生活的各个领域,影响和改变着我们的生活。无线传感器网络是一种信息获取平台,它是由许多微小的节点自组织形成的一个多跳无线网络。在WSNs中,能量捕获技术是近几年的热点研究问题。该技术是指传感器节点自带能量捕获设备,其运行所需的能量从周围环境中捕获而来。传统的无线传感器网络节点都是由电池供电,自身携带的能量非常有限,一旦电池能量耗尽,网络的生命期也就结束了。采用能量捕获技术,可以缓解或者从根本上解决这一问题。采用了能量捕获技术的无线传感器网络,我们称之为能量捕获无线传感器网络(Energy Harvesting Wireless Sensor Networks,EH-WSNs)。把能量捕获技术应用于WSNs中,其工作机制和传统的WSNs不同,主要表现在:EH-WSNs中的节点具有能量捕获特性。本文利用EH-WSNs节点的能量捕获特性研究基于EH-WSNs的路由算法。本文的主要工作内容和研究成果如下:1)研究了基于能量捕获的无线传感器网络机会路由算法问题。针对能量捕获技术可以延长无线传感器网络生命期的特点,本文提出了EPOR(Energy Potential Opportunistic Routing)路由算法。EPOR的要点是:首先,引入一个潜能函数,用于计算节点的能量潜能。然后,计算网络中每个节点到目的节点的期望传输次数ETX(Expected Transmission Count)。最后,用节点的能量潜能和ETX共同决定发送节点的候选集节点收到数据包后需要延迟的时间。延迟时间最短的那个候选集节点即为发送节点的最佳转发节点。仿真实验表明,EPOR比OR和EAOR等传统的机会路由算法具有更高的网络生命期。2)研究了基于能量捕获的无线传感器网络AODV路由算法问题。结合节点能量捕获的特性,本文提出了EP-AODV(Energy Potential AODV)路由算法。本文在EP-AODV路由算法中采用了延迟机制,当节点收到上游节点发送的数据时,节点不会立即转发数据,而是延迟一段时间后再转发。该路由算法的要点是:首先,计算出节点的潜能能量。其次,计算从源节点到本节点这段链路的节点平均潜能能量。然后,比较节点的潜能能量和节点平均潜能能量的大小,取二者最小的值Emin。最后,用Emin以及本节点与上游发送节点的丢包率共同决定本节点的延迟时间。最先到达目的节点的那条路径就是最终的路由。理论分析和仿真实验表明,EP-AODV比传统的AODV和EA-AODV具有更长的网络生命期,更大的网络吞吐量,网络负载也更加均衡。本文所提出的EPOR和EP-AODV路由算法对提高网络生命期,均衡网络负载以及增大网络吞吐量具有重要的理论和应用价值。
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