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无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)是由大量部署在监测区域内的具有数据采集、信息处理、无线通信等功能的微型传感器节点形成的自组织网络系统,是一种全新的信息获取方式和数据收集系统。由于传感器节点的能量资源十分有限,需要重点研究如何有效地减少数据传输等方面的能耗,以实现网络生存周期的最大化,而设计高效的网络路由协议是其中最基本的问题之一。
WSN路由协议从网络拓扑结构的角度分为平面路由和分簇路由协议,分簇路由协议具有可扩展、易管理、网络负载平衡、数据融合方便等特点,是一种良好的节能路由协议。本文深入研究了典型的WSN分簇路由协议,分析了各自的特点和存在的问题。现有的分簇路由协议一般从簇头分布情况、节点剩余能量和簇的拓扑结构等方面考虑网络分簇问题,而忽略了节点之间的数据相关性,难以给出有效的簇头数据融合算法。
为了进行高效的数据融合,本文提出了一种全新的分簇路由协议--DCC(DataCorrelation based Clustering protocol for WSN),即基于数据相关性的WSN分簇路由协议,其核心是将WSN中的数据冗余表示为形式化的数据相关性,从数据相关性的角度出发考虑网络的分簇问题。
首先以数据相关性来表示节点之间的关系,建立了基于数据相关性的WSN网络模型--DCM(Data Correlation based WSN Model);然后在DCM的基础上,使用贪婪算法将网络节点分成尽量少的不相交的簇,同时使每个簇内的节点两两之间都具有强数据相关性;在获取网络数据时,簇头利用数据相关性,在保证数据精确度的前提下,进行高效的簇内数据融合。实验结果表明,相对于经典的LEACH协议,DCC显著提高了WSN的网络寿命和服务质量,实现了能量高效的精确的网络数据获取。
数据相关性是随着环境的改变而变化的,为了应对数据相关性的动态变化,本文提出了动态调整策略,这是一种针对网络局部变化的调整策略,它改变了在一“轮”中网络拓扑结构不发生变化的惯例,在网络运行中实时监测节点的状态,对数据融合效果不佳的节点及时做出调整。实验结果表明,使用动态调整策略的DCCD协议在DCC的基础上进一步提高了网络寿命和服务质量。