資源描述：
《mimo多跳簇結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法和其能耗探究》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。
1、MIMO多跳簇結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法和其能耗探究 摘要：由于分層簇結(jié)構(gòu)協(xié)議能有效地解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗問題，文中針對基于MIMO的多跳簇結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，提出了一種基于距離矢量的改進(jìn)路由算法，同時在J-sim仿真平臺上進(jìn)行了相應(yīng)的仿真，從而證明了改進(jìn)路由算法的有效性。另外也證明了該系統(tǒng)的節(jié)點能耗特點和MIMO技術(shù)對降低系統(tǒng)能耗所具有的一定作用，但在低信噪比時其效果不明顯。關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；路由算法；LEACH協(xié)議；MIMO中圖分類號：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2013）09-0057-040引言無線傳感
2、器網(wǎng)絡(luò)是近年無線通信技術(shù)的研究熱點之一。受體積和成本的限制，能耗問題成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的難點和關(guān)鍵問題。針對能耗問題，許多學(xué)者先后提出了不同的解決方案。其中，W.B.Heinzelman、A.P.Chandrakasan和H.Balakrishman等首先在網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議方面提出了適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的簇結(jié)構(gòu)分層協(xié)議——LEACH（Low-EnergyAdaptiveClustering13Hierarchy）協(xié)議[1，2]。他們討論了簇首的選擇算法、簇的形成算法以及基于中心控制的改進(jìn)協(xié)議LEACH-C，并對LEACH協(xié)議的能耗模型進(jìn)行了初步研究。在L
3、EACH協(xié)議的基礎(chǔ)上，又有不少學(xué)者設(shè)計了基于分簇結(jié)構(gòu)的多跳路由協(xié)議。其中，文獻(xiàn)[3]提出了改進(jìn)LEACH協(xié)議——Multihop-LEACH，它以最近的鄰居簇首作為下一跳路由；文獻(xiàn)[4]采用了MTE路由算法，并引入沖突避免機制；文獻(xiàn)[5]則采用中心控制思想，由基站基于路徑損耗進(jìn)行路由選擇。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常工作在惡劣的環(huán)境，信道衰落嚴(yán)重，而MIMO技術(shù)能很好地對抗多徑衰落，因此，MIMO技術(shù)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用也備受重視。文獻(xiàn)[6-7]研究了STBC（Space-TimeBlockCode-Encoded）和MIMO技術(shù)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能的
4、改善，其中文獻(xiàn)[6]考慮了合作節(jié)點的同步問題，文獻(xiàn)[7]研究了最優(yōu)合作節(jié)點數(shù)的問題。分層簇結(jié)構(gòu)、多跳路由和MIMO技術(shù)都在一定程度上改善了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的性能，因此形成了“跨層設(shè)計（Cross-layerDesign）”思想，即將網(wǎng)絡(luò)分層模型中的若干層聯(lián)合起來綜合考慮，使不相鄰的層之間也能傳遞信息，以得到最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)性能。文獻(xiàn)[8-9]將多跳路由和MIMO技術(shù)嵌入LEACH協(xié)議進(jìn)行跨層設(shè)計，大大延長了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期（Life-time）；文獻(xiàn)[10]采用半中心控制思想對文獻(xiàn)[8-9]的有關(guān)算法進(jìn)行了改進(jìn)。13在研究方法上，目前大多數(shù)的研究都
5、是基于Matlab、C語言等通用仿真工具，以網(wǎng)絡(luò)生命周期為衡量指標(biāo)，沒有充分考慮網(wǎng)絡(luò)實際工作過程中的相關(guān)問題和能量損耗。因此，本文以UCLA（UniversityofCaliforniaatLosAngeles）提出的SersorSim[11]仿真架構(gòu)為基礎(chǔ)，在J-sim仿真平臺實現(xiàn)了一個貼近實際的模擬無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并提出了一種基于距離矢量的改進(jìn)路由算法。在此基礎(chǔ)上，研究了多跳路由技術(shù)、MIMO技術(shù)對改善LEACH協(xié)議性能的問題。其方法和結(jié)果對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議優(yōu)化及其應(yīng)用具有一定的參考價值。1系統(tǒng)模型與改進(jìn)路由算法1.1系統(tǒng)模型系統(tǒng)采用
6、與文獻(xiàn)[8-9]基本架構(gòu)相同的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計模型，圖1所示是結(jié)合MIMO技術(shù)的多跳LEACH協(xié)議工作模型。系統(tǒng)按照LEACH[1-2]協(xié)議不斷重復(fù)簇的重構(gòu)過程，每次重構(gòu)稱為一個回合。數(shù)據(jù)傳輸時，在網(wǎng)絡(luò)層采用了多跳路由技術(shù)，在物理層嵌入了MIMO技術(shù)，源節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)以多跳MIMO方式傳送到基站。簇內(nèi)采用具有二次衰落特性的高斯白噪聲信道，簇間采用非頻率選擇性慢衰落瑞利信道模型。圖1結(jié)合MIMO技術(shù)的多跳LEACH協(xié)議工作模型假設(shè)各節(jié)點具有全局唯一的標(biāo)識ID且已知基站位置，各節(jié)點具有相同的初始能量且發(fā)射功率可調(diào)。系統(tǒng)的工作過程分為一個個回合，
7、每個回合又分為建立階段和穩(wěn)定階段。131.1.1建立階段各節(jié)點按照LEACH[1，2]協(xié)議的分布式算法決定自己在本回合是否成為簇首節(jié)點（ClusterHead，CH），各簇首節(jié)點用同樣大小的發(fā)射功率Pout廣播一個通告信息（AdvertisementMessage，ADV）。這里采用非堅持CSMAMAC層協(xié)議，ADV包括簇首節(jié)點的ID和地理狀態(tài)信息。如果簇首節(jié)點接收到ADV，則將其加入鄰居節(jié)點列表，用于構(gòu)建路由表，具體的路由算法將在后面詳細(xì)說明；如果非簇首節(jié)點接收到ADV，則選擇接收信號強度最大的一個作為其簇首并發(fā)送一個加入簇請求信息（JoinRe
8、questMessage，Join-REQ）。簇建立后，各簇首節(jié)點選擇J個簇內(nèi)節(jié)點作為合作節(jié)點（CooperativeNo
