无线传感器网络中最大化网络寿命的数据聚合路由
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第 28 卷 第 4 期
Vol. 28 No. 4
控 制 与 决 策
Control and Decision
2013 年 4 月
Apr. 2013
无线传感器网络中最大化网络寿命的数据聚合路由
文章编号: 1001-0920 (2013) 04-0609-04
单立群, 汪晋宽, 刘志刚, 杜瑞燕
(东北大学 信息科学与工程学院，沈阳 110819)
摘 要: 针对数据聚合无线传感器网络寿命最大化问题, 分析了网络流量和节点能耗, 提出了数据聚合路由问题的
网络流量模型, 并将网络最大寿命与流量模型相结合设计了一组混合整数规划代价函数. 采用对偶分解的方法, 获得
了近似最优的中继传输速率和路由. 仿真实验表明, 该算法能有效减少数据通信量, 均衡各个节点的能量消耗, 延长
网络寿命.
关键词: 无线传感器网络；数据聚合；路由；最大化网络寿命；次梯度
中图分类号: TP393 文献标志码: A
Maximum lifetime routing with data aggregation in wireless sensor
networks
SHAN Li-qun, WANG Jin-kuan, LIU Zhi-gang, DU Rui-yan
(College of Information Science and Engineering，Northeastern University，Shenyang 110819，China. Correspondent:
WANG Jin-kuan，E-mail：wjk@neuq.edu.cn)
Abstract: In this paper, the optimal data aggregation routing for maximizing the network lifetime in wireless sensor
networks(WSNs) is investigated. By analyzing network traffic and power consumption, a network flow model is proposed
for data aggregated WSNs. Maximum lifetime and network flow model are combined to design a group of mixed integer
programming cost function. The approximate optimal relay transmission rate and data aggregation routing are obtained by
utilizing the dual decomposition method. The simulation results show that the proposed algorithm can reduce data traffic,
balance energy consumption, and prolong the network lifetime effectively.
Key words: wireless sensor networks；data aggregation；routing；maximize the network lifetime；subgradient
0 引引引 言言言
无线传感器网络 (WSN) 的基本操作是监测物理
环境, 处理感知的信息, 并将结果传输到特定的汇聚
节点进一步处理. 由于 WSN 是由低功耗和能量受限
的传感器节点组成, WSN 研究中的一个关键问题是
设计节能协议, 以最大限度地提高网络寿命
[1-4]
. 数据
聚合允许节点在转发数据过程中去除数据中的冗余
信息, 进行数据压缩, 从而减少传输能耗和延长网络
寿命. 数据聚合与路由相结合 (数据聚合路由) 能为
提高网络生存时间提供重要依据, 已成为近几年无
线传感器网络研究中的热点问题. 文献 [5] 构造了网
络寿命最大化的最短路径聚合树, 而在单径数据聚
合路由策略下优化网络能耗问题是 NP-hard 问题
[6]
.
MEGA (minimum energy gathering algorithm) 算法
[7]
是
一种基于生成树的聚合路由算法, 通过编码树选择执
行数据聚合操作的节点. 文献 [8] 将最大化网络寿命
问题描述成一个多商品流问题, 并给出了一种快速近
似算法. 文献 [9] 将网络寿命优化问题建模为一个线
性规划问题, 并使用对偶分解算法求解最优的传输速
率. MLR (maximum lifetime touting) 算法
[10]
采用地理
位置路由, 通过将数据分流到多个邻居节点均衡网络
流量, 并通过最优化方法对网络寿命和聚合数据率进
行优化. 文献 [11] 综合考虑了路由和节点的休眠调度
以最大化网络寿命. 文献 [12] 根据节点数据相关性,
提出了寿命最大化的路由博弈模型.
上述路由算法没有考虑网络中的数据聚合和链
路容量约束. 由于无线传感器网络中链路容量是一个
重要的约束, 忽略链路容量约束易导致网络拥塞
[13]
.
收稿日期: 2012-02-08；修回日期: 2012-03-28.
基金项目: 国家自然科学基金项目(60874108)；河北省自然科学基金项目(F2011501021).
作者简介: 单立群(1977−), 女, 博士, 从事无线传感器网络数据聚合技术的研究；汪晋宽(1957−), 男, 教授, 博士生导
师, 从事自适应信号处理、移动通信关键技术等研究.
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