基于环境互信息的无线传感网络布局与路由协议优化研究

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无线传感网络是一种通过传感器节点获取信息并进行处理的技术,广泛应用于环境监测中。林火监测具有非常重要的经济及生态价值,而森林环境中需部署诸如温度、湿度、风速等多种类型无线传感器以获取林火发生的全面特征信息。目前国内外基于环境互信息的无线传感网络多集中于单一类型的无线传感器布局研究,而多类型无线传感网络布局和路由协议研究尚处于探索阶段。本文研究重点围绕林火环境的多类型无线传感网络布局和路由协议展开。首先根据无线传感网络布局的子模性,建立基于环境互信息的概率布局模型。为改进单一类型传感器网络模式,提出两种多类型传感器网络布局策略并对成本进行讨论,提出基于环境互信息的MLE-Greedy(Multi-type Lazy Evaluation Greedy)算法。然后,为解决多类型传感器网络带来的能量异构问题,结合CRPIBBO协议,通过改善经典DEEC算法中簇首分布及能量消耗不均匀的问题,提出M-CRPIBBO(Multi-type CRPIBBO)算法,引入能量参数和距离参数对簇首选择方法进行改进,延长无线传感网络的工作寿命。论文的主要工作如下:(1)提出基于环境互信息的MLE-Greedy算法。针对LE-Greedy算法存在的无线传感网络传感器类型单一的问题,本文考虑到多类型传感器节点存在部署全部类型传感器与至少部署一种类型传感器的两种情况,分别讨论了部署策略与成本计算,同时相应的提出成本限制下的两种贪婪算法,能快速有效的获得最优解。实验表明,“至少包含”策略下传感器部署位置数较随机策略与“全部包含”策略提升55%,“至少包含”策略较“全部包含”策略单轮信息收益比最高增加了72.8%,整体信息收益比增加了24.8%。MLEGreedy算法具有较快的收敛速度,在“全部包含”策略与“至少包含”策略下布局,其效率分别提升了79.21%和84.83%。通过优化可以得到成本限制下的多类型无线传感网络布局方案,并且在成本与效益之间获得良好的平衡。(2)提出一种MCRPIBBO路由协议,针对簇首选择随机的情况,同时考虑多类型传感器能量存在异构性,且同位置可能存在多个类型的传感器的问题,引入能量参数对簇首选举公式进行改进,让同位置下的多个传感器节点对簇首进行竞争,避免簇首选举不合理的情况发生。实验表明,与现有的协议相比,MCRPIBBO算法在第一个死亡节点出现轮数、10%的节点死亡轮数与全部节点死亡轮数分别推迟了359轮、331轮和550轮,能有效均衡网络能耗,延长网络生存时间。
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