【正文】 仿真結(jié)果表明，本章MFAR算法在網(wǎng)絡(luò)剩余能量和剩余能量的差異，相比現(xiàn)有的EAR算法有了明顯的進(jìn)步，網(wǎng)絡(luò)的正常利用能量有了明顯的提高，同時減少了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)哪芰肯暮湍芰科胶?，確保更好地47本章的目的是有效的，可行的。因此，MFAR算法優(yōu)于EAR算法具有更好的能量平衡特征。表33 剩余能量方差對比數(shù)據(jù)量(bit)10002000300040005000EOMR算法EAR算法數(shù)據(jù)量(bit)600070008000900010000EOMR算法EAR算法由表33中數(shù)據(jù)可知，2種算法的路由剩余能量差額的數(shù)據(jù)傳輸量增加的情況下，逐漸增加。能耗平衡度通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的剩余能量響應(yīng)方差。因此，剩余能量MFAR算法建立目標(biāo)效益優(yōu)化模型的優(yōu)化效果明顯?？偸Ｓ嗄芰浚⒃撍惴☉?yīng)用于建立路由數(shù)據(jù)傳輸工程消耗能量成反比，剩余的總能量更大，能耗少，反之，消耗更多的能量。設(shè)為節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)間的距離，=75m為區(qū)分信道模型和信道模型的距離門限，規(guī)定：當(dāng)時，對應(yīng)自由空間信道模型，pJ/bit/m2，；當(dāng)時，對應(yīng)多徑衰落信道模型，=。為了驗(yàn)證本章提出的多徑流量分配路由算法的有效性，本節(jié)用一個小型網(wǎng)絡(luò)的例子進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。 仿真實(shí)驗(yàn)與性能分析MFAR算法的主要目標(biāo)是均衡網(wǎng)絡(luò)能量消耗，減少能源消耗。匯聚節(jié)點(diǎn)的源節(jié)點(diǎn)和所有路徑中的節(jié)點(diǎn)的剩余能量信息，從而為每個路徑上每個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)流量才能確定，因此，源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的多路徑流量分配工作完成。收到此消息的節(jié)點(diǎn)i首先檢查next中是否存在節(jié)點(diǎn)自身的id，若存在則添加自己的到path中，并判斷節(jié)點(diǎn)的鄰居列表是否為空，若不為空，則將添加到，清空next并將中節(jié)點(diǎn)的id添加到next，然后繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)此消息；反之，若鄰居列表為空，則在next中添加stop標(biāo)志，標(biāo)記此路徑中斷，不再參與到多路徑統(tǒng)計中，也不再繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)此消息了。hop = 1hop = 0hop =2hop = 3bcdasink圖31 最小跳數(shù)確定方法舉例示意圖經(jīng)過此信息交換階段，網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都確定了自身到達(dá)sink節(jié)點(diǎn)的最小跳數(shù)，并且依據(jù)最小跳數(shù)信息確定了網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點(diǎn)的所有下一跳鄰居。任意節(jié)點(diǎn)收到來自任意非sink節(jié)點(diǎn)的NND消息后，按如下過程進(jìn)行處理。網(wǎng)絡(luò)中的任意節(jié)點(diǎn)都維護(hù)一個節(jié)點(diǎn)自身信息的列表，列表的表頭格式如表31所示。若滿足終止條件，則停止；否則，令k=k+1，轉(zhuǎn)入步驟2，并按如下規(guī)則更新Hessian陣： (315)其中?！瓎栴}的Lagrange函數(shù)Hessian陣的擬牛頓近似矩陣，步驟3 確定本次搜索最優(yōu)步長。模型求解的具體實(shí)現(xiàn)過程分如下5個步驟：步驟1 初始化。序列二次規(guī)劃SQP ( Sequential Quadratic Programming )算法計算時間和計算精度與計算量可以見，所以此方法被數(shù)學(xué)界普遍認(rèn)為是解決此類問題最為有效的辦法。從而對于有效的簡化過程予以保證。 經(jīng)權(quán)衡評價函數(shù)整合后的單目標(biāo)簡化模型(式(39))的最優(yōu)解是原多目標(biāo)能效優(yōu)化多徑路由模型(式(31)式(35))的有效解。以下的有效性分析的簡化過程。這樣設(shè)計的目的是將兩個優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的量綱進(jìn)行統(tǒng)一，進(jìn)而保證權(quán)衡評價函數(shù)的合理性。鑒于以上分析，本章使用歸一化思想剩余能量的節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)總方差和剩余能量平衡的評價功能集成到結(jié)構(gòu)，使多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題，模型的解更方便。效率優(yōu)化整個網(wǎng)絡(luò)多徑路由模型為起點(diǎn)，通過對多個路徑的每一個環(huán)節(jié)交通協(xié)調(diào)，在宏觀上均衡優(yōu)化能源消費(fèi)特點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)哪芰肯?，提高網(wǎng)絡(luò)的能量效率，延長網(wǎng)絡(luò)壽命。采用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)總剩余能量來對傳輸能耗進(jìn)行衡量，可以對于數(shù)據(jù)的多輪傳輸，各輪傳輸后各節(jié)點(diǎn)剩余能量存在差異的問題進(jìn)行彌補(bǔ)，能夠?qū)τ诘湍芰抗?jié)點(diǎn)的壽命進(jìn)行延長，進(jìn)而對于網(wǎng)絡(luò)生命期大有進(jìn)益。多徑路由是路由優(yōu)化能源效率，均衡網(wǎng)絡(luò)能量消耗有明顯的優(yōu)勢，多路徑并行傳輸可以使多徑路由的優(yōu)勢發(fā)揮到最大。該解決方案的模型與實(shí)現(xiàn)的功能，并提出了一種多功能MFAR(Multipath Flow Allocation Routing)能源效率最優(yōu)流量分配。但以上的幾種算法均未能對能耗的均衡特性和網(wǎng)絡(luò)傳輸能耗受流量分配影響的問題給予充分的考慮。能量消耗和平衡的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)目標(biāo)路徑的選擇是很難達(dá)到的效果。能耗均衡路由協(xié)議對于路由選擇的能量均衡消耗的特性做出了考慮，淡對于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目偰芎膮s無法保證。由于傳感器的節(jié)點(diǎn)能量受限，而節(jié)點(diǎn)能耗的情況又受到路由選擇的影響。EDBCA12345DBEACa) 原始網(wǎng)絡(luò)通信圖 b) 網(wǎng)絡(luò)沖突圖CDEAB信道1信道2c) 信道資源分配圖圖29 信道分配過程而鏈路調(diào)度則是在干擾模型的基礎(chǔ)上，從時隙角度合理分配信道的接入順序，從而達(dá)到降低網(wǎng)絡(luò)干擾的目標(biāo)。如圖2 9所示，假設(shè)每個節(jié)點(diǎn)可以同時連接兩根渠道。一般的感知門限和發(fā)射功率的相乘的積是一個常數(shù)。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)服從均勻分布的密度，節(jié)點(diǎn)發(fā)射半徑，發(fā)送節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)數(shù)。同時，它也可以用于建模為一個節(jié)點(diǎn)，其他幾個節(jié)點(diǎn)覆蓋無源模型建模。節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)干擾模型測量，因?yàn)橐粋€節(jié)點(diǎn)加入或離開網(wǎng)絡(luò)的總干擾產(chǎn)生很大影響。它是知識產(chǎn)權(quán)的有源干擾模型。所以，在雙鏈路并行傳輸時間間隔，以避免干擾應(yīng)至少2跳的距離。如圖26所示，令代表一條正在進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送的鏈路，則數(shù)據(jù)發(fā)送成功的充要條件為： (212)式中 ——鏈路和上任意兩點(diǎn)間的最小跳數(shù)；——大于零的整數(shù)，常取2。為了有效地減少網(wǎng)絡(luò)干擾。如圖2 5所示，節(jié)點(diǎn)能夠成功發(fā)送數(shù)據(jù)的充分必要條件是：所有的數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)滿足公式（211）條件下： (211)圖25 基于發(fā)送者的干擾模型在這個模型中，每個節(jié)點(diǎn)建立了自屏蔽區(qū)。上述條件要求在接收節(jié)點(diǎn)周圍形成一個互斥的空閑區(qū)域來盡量避免彼此間傳輸?shù)母蓴_。研究人員進(jìn)行了一個深入研究這些協(xié)議基礎(chǔ)上的網(wǎng)絡(luò)干擾效果，測試的有效性的協(xié)議。令網(wǎng)絡(luò)通信圖中的有向邊和，分別對應(yīng)干擾沖突圖中的兩個點(diǎn)和，若網(wǎng)絡(luò)通信圖中的這兩個有向邊之間存在干擾，則在干擾沖突圖中的點(diǎn)和之間有邊相連。這些定義可以同時存在的數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)之間的最小距離，然后在感知范圍邊界節(jié)點(diǎn)最多有6個節(jié)點(diǎn)被允許和并行數(shù)據(jù)傳輸。節(jié)點(diǎn)的干擾范圍定義為：在此范圍內(nèi)的任何一個節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送，都能夠?qū)?jié)點(diǎn)的正常接收造成影響。因此，只要令接收端接收到的信號強(qiáng)度等于節(jié)點(diǎn)的物理載波感知門限值，便可以計算出節(jié)點(diǎn)的感知半徑： (23)式中 ——節(jié)點(diǎn)的物理載波感知門限值。首先，由于節(jié)點(diǎn)的傳輸半徑，的干擾半徑感知半徑定義。無線網(wǎng)絡(luò)從物理層的干擾，和節(jié)點(diǎn)大小性質(zhì)計算所描述的干擾。作為一個共同的無線頻譜，允許多個節(jié)點(diǎn)訪問到同一信道在同一時間打開的資源。 無線網(wǎng)絡(luò)干擾模型研究人員通常進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)干擾的模擬分析，從而提高分析的效率和準(zhǔn)確性。又以干擾的研究團(tuán)體和第二種類型的干擾將原來的干擾問題，詳細(xì)的分類。為此，本節(jié)中的抗多徑干擾無線網(wǎng)絡(luò)的干擾物質(zhì)的分析做出闡述，并介紹了兩種干擾源模型典型結(jié)合上面的分析，提出了一些策略，以顯著提高路由的抗干擾性能。考慮WSN多路徑路由在設(shè)計過程中，應(yīng)充分考慮到實(shí)際操作的網(wǎng)絡(luò)的需求，必須考慮到的魯棒性，合理性，節(jié)能和算法復(fù)雜度。由于多路徑路由的數(shù)據(jù)傳輸，可以提供多個路徑，它也可以為不同的QoS要求（穩(wěn)定性，可靠性和實(shí)時，等）和不同的類型（圖像，音頻，視頻），以提供不同的路徑條件，以滿足不同的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。 多徑路由的優(yōu)勢及未來發(fā)展趨勢單路徑路由的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂?。多路徑的使用方式?jīng)Q定了多徑路由主要有以下兩種傳輸模式：(1)并行多路徑(同時多路徑)傳輸模式在同一時間，在相同的情況下，從源節(jié)點(diǎn)到目的地節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸中使用兩個或兩個以上的路徑，當(dāng)任何路徑發(fā)生故障時，從一個或多個路徑的其余部分的完成數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，或重現(xiàn)由源節(jié)點(diǎn)發(fā)起的消息路由，并重新選擇的工作的路徑。因此，多路徑路由節(jié)點(diǎn)不相交的結(jié)構(gòu)合適的節(jié)點(diǎn)密度的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，鏈路不相交多路徑路由結(jié)構(gòu)，通過適當(dāng)?shù)墓?jié)點(diǎn)密度的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。但是，常見的鏈路和節(jié)點(diǎn)特性，使結(jié)構(gòu)的交織多路徑路由的容錯性差，因此，在上述三種結(jié)構(gòu)，其中包括多路徑路由節(jié)點(diǎn)不相交多路徑路由結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)大的容錯性能，鏈路不相交的多路徑路由容錯性能，其次由最壞的交錯結(jié)構(gòu)的多路徑路由容錯結(jié)構(gòu)。如圖22(c)所示，源節(jié)點(diǎn)S到目的節(jié)點(diǎn)D的多條路徑中，存在共用節(jié)點(diǎn)A、B、C、E、F和G，以及共用鏈路AB、BC、EF、FG、AF、FC、EB和BG。纏繞型（Braided），也被稱為多路徑路由結(jié)構(gòu)。完全不相交的類型結(jié)構(gòu)也被稱為多路徑路由。多徑路由的重新啟動，必須是當(dāng)P（S，D），在基本上所有的路徑或路徑失效，則重選路由的P（S，D）的路徑上的集。WSN的多徑路由模型如圖21所示。本章主要對于WSN多徑路由技術(shù)進(jìn)行深入探討，介紹多徑路由的基本知識，并依據(jù)目前普遍使用的干擾模型中的兩種，對于無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行干擾分析，以提出對于多路徑之間的嚴(yán)重存在的干擾問題進(jìn)行分析，提出WSN抗干擾的策略，從而提出多徑路由抗干擾的算法。所以，WSN設(shè)計的首要目標(biāo)就是如何延長網(wǎng)絡(luò)壽命，使得能量的有效利用能夠達(dá)到最大化。該算法通過信道分配和功率控制聯(lián)合優(yōu)化節(jié)能的實(shí)現(xiàn)了無線傳輸?shù)目垢蓴_，并對該算法進(jìn)行理論分析與仿真實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證算法的合理性和有效性。第二章，首先系統(tǒng)性闡述了關(guān)于多徑路由協(xié)議的基礎(chǔ)知識以及抗干擾算法的基本原理；然后分析探討了多徑路由的概念模型、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、傳輸模式、技術(shù)優(yōu)勢、發(fā)展方向，就無線網(wǎng)絡(luò)中的“干擾”概念進(jìn)行了闡述，對當(dāng)前研究中常見的兩種干擾模型進(jìn)行了介紹，并對這兩種模型做出了幾何化分析；最后對以上兩種模型在應(yīng)用中所采用的抗干擾策略進(jìn)行了介紹。在文獻(xiàn)[43]中，研究者們雖然設(shè)計了聲稱是將信道分配和功率控制兩種技術(shù)聯(lián)合起來的算法，但也只是單純的技術(shù)組合應(yīng)用而已，對這兩種技術(shù)相互間的影響并沒有太多的考量，嚴(yán)格來說，并不能稱之為聯(lián)合優(yōu)化抗干擾算法。就無線網(wǎng)絡(luò)的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀而言，兩種最重要的抗干擾技術(shù)——信道分配和功率控制，二者之間相互獨(dú)立，分別單獨(dú)的被應(yīng)用，都能很好的發(fā)揮各自的作用，有效降低環(huán)境對WSN網(wǎng)絡(luò)的干擾。例如，分布式博弈算法在文獻(xiàn)[35]中的功率控制技術(shù)研究中被提出來；數(shù)據(jù)的隨機(jī)訪問博弈在文獻(xiàn)[36]中的功率控制技術(shù)研究中被深入探討；符合QoS要求的非合作博弈算法在文獻(xiàn)[37]中的多路訪問衰落信道模型中被設(shè)計出來；“NPG非合作博弈算法”在文獻(xiàn)[38]中被提出，這種算法在當(dāng)前的研究中非常具有代表性，也是第一次在研究領(lǐng)域中被涉及到。為此，針對WSN的多信道，文獻(xiàn)[33]中專門設(shè)計了一種YMAC協(xié)議，在該協(xié)議中，如果一個節(jié)在接收完數(shù)據(jù)后還要繼續(xù)接收數(shù)據(jù)，那么就會通過協(xié)議中的輕量級信道跳轉(zhuǎn)機(jī)制換到另外的無線信道上，從而實(shí)現(xiàn)對信道的再次分配和對能量的節(jié)約。為了解決這一問題，在對WSN的抗干擾的研究中不斷出現(xiàn)更靈活、更動態(tài)的信道分配算法[28,29]，一種效率更高、安全性更好的動態(tài)信道分配算法在文獻(xiàn)[30]中被設(shè)計出來，專門為密集WSN所設(shè)計的動態(tài)信道分配在文獻(xiàn)[31]中被納入研究領(lǐng)域，專門為WSN多信道所設(shè)計的并行協(xié)商McMAC協(xié)議在文獻(xiàn)[32]中被提出。以上文獻(xiàn)在進(jìn)行技術(shù)探索時忽略了網(wǎng)絡(luò)能量因素的影響，所以得出的抗干擾算法與WSN的要求并不相符。目前，在無線網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中，對傳輸效率和質(zhì)量形成最大障礙的就是不同路徑相互的信息干擾，這種干擾所造成的制約性作用和破壞性后果在WSN多徑路由中表現(xiàn)的尤為突出。在設(shè)計WSN多徑路由時，因?yàn)橐紤]到WSN的節(jié)點(diǎn)能量受限，所以要將網(wǎng)絡(luò)能效的提高和使用期限的增加作為首要的前提條件。 (5)MDR協(xié)議[20]：該協(xié)議在平時狀態(tài)下并不會主動構(gòu)建路徑，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)需要向目的節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)時，才開始在兩者之間構(gòu)建起多條路經(jīng)，這樣就能夠節(jié)省大量的網(wǎng)絡(luò)能量；當(dāng)構(gòu)建起多條路經(jīng)后，數(shù)據(jù)信息就會同時通過這些路經(jīng)并行傳輸，可靠性、安全性大大提升。(2)SPIN協(xié)議[17]：該協(xié)議為了減少數(shù)據(jù)重復(fù)現(xiàn)象，化解信息內(nèi)暴矛盾，在構(gòu)建多路徑的時候引進(jìn)了“三次握手”的路徑機(jī)制，但這也帶來過分依賴數(shù)據(jù)需求的問題，數(shù)據(jù)在傳輸過程中被一個節(jié)點(diǎn)拒收，也無法再向其他節(jié)點(diǎn)傳輸，這就造成了數(shù)據(jù)傳輸中斷的問題。單經(jīng)路由在不斷增大的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和越來越多的信息傳遞的形勢下，表現(xiàn)出越來越明顯的局限性，例如網(wǎng)絡(luò)負(fù)載不均衡、數(shù)據(jù)傳輸過程不安全、寬使用率較低、容易造成路徑堵塞等。該協(xié)議的缺點(diǎn)是可能會使網(wǎng)絡(luò)流量呈現(xiàn)不均勻分布，對網(wǎng)絡(luò)的連通性和網(wǎng)絡(luò)壽命有所影響。該協(xié)議設(shè)計起來非常簡單，執(zhí)行起來也很容易，但卻使得傳輸實(shí)時性大為降低，協(xié)議擴(kuò)展性也難以體現(xiàn)?？紤]到WSN的傳感器節(jié)點(diǎn)能量受限這一顯著特征，設(shè)計WSN路由協(xié)議的首要目標(biāo)就是建立能量有效的數(shù)據(jù)傳輸路徑和安全的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，使得WSN的應(yīng)用期限不斷增加[10]。當(dāng)前，作為一項(xiàng)新興技術(shù)，無論是對WSN理論體系的研究，還是對其在應(yīng)用上的開發(fā)，都還處于探索階段。相比傳統(tǒng)的網(wǎng)線網(wǎng)絡(luò)來說，WSN網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模更大、組織能力更強(qiáng)，而且還具有一些之前沒有的新特征，例如WSN網(wǎng)絡(luò)是以數(shù)據(jù)信息為核心的，其路由為多跳，其拓?fù)錇閯討B(tài)?；ヂ?lián)網(wǎng)或衛(wèi)星用戶電源傳感器單處理器單元無線通信單元傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)基站W(wǎng)SN監(jiān)測區(qū)域圖11 WSN網(wǎng)絡(luò)的典型結(jié)構(gòu)在上世紀(jì)70年代，美國軍方就開始了對WSN的研究，并在戰(zhàn)場監(jiān)測中進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用[5]。圖11中是一個較為常用的WSN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國