无线传感器网络中负载均衡的非均匀分簇算法

论文摘要

随着通信与计算机技术的不断发展,综合了传感器技术、嵌入式计算技术、无线网络通信技术、微机电技术以及分布式信息处理技术的无线传感器网络正在军事、环境监测和工业生产等方面发挥着越来越重要的作用。无线传感器网络设计中有许多重要问题,其中最重要的一个问题是如何提高能源有效性,延长网络的生命周期。无线传感器网络中的层次式路由协议是一项重要的节能技术。典型的层次式路由协议如LEACH协议,将传感器节点分为簇首节点和非簇首节点,非簇首节点将监测数据传送给簇首节点后便进入睡眠状态以节省能量,簇首节点将数据进行融合并传送给汇聚点。LEACH协议的这种多跳的通信方式可以有效地解决传感器节点能量限制的问题,但靠近汇聚点的节点由于需要转发大量来自其它分簇的数据,从而造成负担过重,能量消耗过快而失效,最终导致网络分割,降低了网络的存活时间。本文在LEACH协议的基础上提出了一种负载均衡的非均匀分簇(Load Balanced Unequal Clustering,LBUC)算法。该算法根据节点到汇聚点的距离将网络划分为节点数目相等的分区,距离汇聚点最近分区的节点通过簇首节点与汇聚点进行单跳通信,其它分区的节点通过簇首节点以多跳的方式将数据传送至汇聚点。同时,采用分区间非均匀分簇,分区内均匀分簇的方式,使得靠近汇聚点的分区内分簇数量较多,但分簇规模较小;远离汇聚点的分区内分簇数量较少,但分簇规模较大,从而有效的保证靠近汇聚点的簇首节点能减少自身的簇内通信开销,将节约的能量用于簇间数据转发,平衡了网络各分区的负载,延长了网络的生命周期。其次,针对LEACH协议簇内数据单跳传送的方式,本文在选择路由时综合考虑节点的剩余能量和路径的长短,进一步降低了网络的平均能耗。仿真结果表明LBUC算法可以有效地减少网络中能量的消耗,延长了网络的生命周期,在一定程度上解决了LEACH协议中能量利用率低的问题。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 本文的组织安排和研究工作
• 第二章 无线传感器网络综述
• 2.1 无线传感器网络的定义
• 2.2 无线传感器网络的结构
• 2.2.1 传感器节点的结构
• 2.2.2 网络体系结构
• 2.3 无线传感器网络的特点
• 2.3.1 WSN 与Ad-hoc 的区别
• 2.3.2 无线传感器网络的特点
• 第三章 无线传感器网络路由协议
• 3.1 无线传感器网络路由协议的特点
• 3.2 路由协议设计的关键因素和性能指标
• 3.2.1 路由协议设计的关键因素
• 3.2.2 路由协议设计的性能指标
• 3.3 路由协议的分类
• 3.4 典型路由协议介绍
• 3.4.1 洪泛式路由协议
• 3.4.2 以数据为中心的路由协议
• 3.4.3 基于位置信息的路由协议
• 3.4.4 层次式路由协议
• 3.5 层次式路由协议的优点
• 第四章 负载均衡的非均匀分簇算法
• 4.1 网络模型
• 4.2 无线通信模型
• 4.3 负载均衡的非均匀分簇算法
• 4.3.1 问题描述
• 4.3.2 簇首的选举过程
• 4.3.3 生成簇的过程
• 4.3.4 路由的建立过程
• 4.3.5 簇建立阶段消息复杂度分析
• 4.3.6 各分区最佳簇首数目分析
• 4.3.7 各分区内竞争半径的分析
• 4.4 算法性能分析与仿真
• 4.4.1 仿真环境与信道模型参数
• 4.4.2 实验评价标准
• 4.4.3 分区数K 的选取及分析
• 4.4.4 候选簇首比例的选取及分析
• 4.4.5 各分区最佳簇首数的选取及分析
• 4.4.6 仿真结果分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 本人在攻读硕士研究生期间发表的论文