无线传感器网络跨层设计的节能优化技术研究

无线传感器网络技术的兴起，给信息感知、获取和处理技术带来了革命性的变化。无线传感器网络中的节点具有体积较小，一般通过自身电池进行能量供应的特点，使得无线传感器网络在硬件设计方面具有节点能量有限、通信能力以及计算和存储能力有限的特征。同时，由于信道共享，相邻节点之间在发送和接收数据时容易引起冲突，这样会造成分组丢失，导致重发从而增加了延迟和能量消耗。 传统的分层体系结构由于分层设计中保持着层与层之间设计的独立性，各层间是彼此透明的，这样做在一定程度上简化了网络协议的复杂性，使得系统实现的难度降低。然而，分层设计的做法缺乏层间的交互，不能很好的通过各层信息整合来实现节能高效，以致全局网络的性能没有得到有效提升。 网络层和MAC层相对于其他层，对无线传感器网络来说是最重要的，同时也是网络体系结构中能量消耗较多的层，这两层上协议的设计是否良好能够非常显著影响能量的消耗并关系到系统整体的性能。因此，可以考虑通过联合MAC层和网络层来分析，从跨层协议设计的角度进行组合优化。 在此基础上，对于功率控制和分簇算法这两个可以有效提高传感器网络性能的策略进行了详细分析。考虑到现有的典型分簇算法存在理论条件较多，无法自适应的根据动态的网络变化做出调整，并且算法应用型不强，不易在真实的环境中实现。针对这一情况，设计了一种能够动态自适应网络变化，并且稳定的节能高效分簇算法。同时，在该分簇算法中，应用了一种基于最优发送功率的双信道中断恢复并且具有反向作用于干扰节点能力的功率控制机制。在分簇算法的基础上，通过优化的功率控制技术，设计出了一种基于跨层设计的优化协议——无线传感器网络功率控制稳定高效分簇协议（RPC-SEC），达到了很好的减少能量消耗，扩大吞吐量的目标。实验仿真结果表明，本文设计提出的跨层协议与传统的典型协议相比，使得无线传感器网络系统具备了更好的能量利用效率，并且还能够扩大网络系统的吞吐量，同时还能够保证系统良好的稳定性。