基于能量均衡与距离协同中继的无线传感器网络通信协议

论文摘要

集成了微机电系统技术(MEMS)、无线通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术。它是一种新型的无基础设施的无线网络,由大量具有通信与计算能力的低成本、低功耗的微型传感器节点组成。无线传感器网络能够根据环境自主实现数据采集、融合和传输等指定任务,是一种超大规模、资源受限的分布式智能网络应用系统,其网络拓扑动态变化,具有自组织,自适应等特点。作为计算机科学和通信技术的一个新的研究领域,近年来受到了越来越多的关注,无论是在国防,还是在国民经济的各个领域,均有着广阔的应用前景。无线传感器网络是一种以数据为中心的网络,而网络中数据传输离不开路由协议。路由技术是无线传感器网络的关键技术,也是影响网络整体性能重要的因素之一。提高路由协议的效率,可为数据融合、时间同步和目标定位等很多方面奠定基础。无线传感器网络节点能量和带宽资源极其有限,其路由协议设计的首要目标是有效节约能源,延长网络生存时间。本文的主要工作是对无线传感器网络的路由协议进行研究设计。论文研究了无线传感器网络的硬件体系结构、网络协议体系和不同的分类特点,分析和比较了现有的几种针对无线传感器网络的路由协议,并借鉴其中的优秀思想,设计出基于能量均衡与距离协同中继的路无线传感器网络由通信协议EBACH(EnergyBalanced Adaptive Clustering Hierarchical Protocol)。EBACH协议继承了LEACH协议中自组织、自适应及分簇的思想。鉴于LEACH中簇首与基站远距离通信能量消耗过大等方面的不足,EBACH协议从均衡整个无线传感器网络中的能量消耗的目的出发,综合考虑节点的剩余能量差异及其到基站的距离信息,在簇内成员节点中选出一种新的中继节点来分担簇首的负载。同时,设计出三层收发模型,改进了数据传输过程,符合无线多跳数据传输的节能原则。最后,在NS2仿真平台上实现EBACH协议,并对其进行仿真实验。根据仿真测试结果与LEACH协议进行了对比分析:EBACH在网络生存时间、负载平衡性能、网络稳健性等方面具有较好的表现。总之,EBACH能够有效利用网络资源,进一步满足了无线传感器网络在复杂或者恶劣环境下对网络稳健性能的要求,具有良好的综合性能。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 无线传感器网络
• 1.1 无线传感器网络概述
• 1.2 无线传感器网络体系结构
• 1.2.1 传感器节点结构
• 1.2.2 汇聚节点组成
• 1.2.3 网络层次
• 1.3 无线传感器网络的特征
• 1.3.1 与传统无线网络的比较
• 1.3.2 与Ad Hoc网络的区别
• 1.3.3 无线传感器网络的特点
• 1.4 无线传感器网络的应用、研究现状及关键技术
• 1.4.1 应用
• 1.4.2 研究现状
• 1.4.3 关键技术
• 1.5 本文的工作和组织结构
• 第二章 无线传感网络路由协议
• 2.1 无线传感器网络路由协议概述
• 2.2 无线传感器网络路由协议的特点与设计考虑因素
• 2.2.1 无线传感网络路由协议特点
• 2.2.2 无线传感网络路由协议的设计要求
• 2.3 无线传感器网络路由协议的分类
• 2.4 典型的无线传感器网络路由协议
• 2.4.1 泛洪法（Flooding）和闲聊法（Gossiping）
• 2.4.2 定向扩散法（DD）
• 2.4.3 SPEED
• 2.4.4 LEACH
• 2.4.5 TEEN
• 2.4.6 PEGASIS
• 2.5 各路由协议性能比较
• 第三章 分簇路由协议
• 3.1 基于分簇的路由协议
• 3.2 LEACH协议算法
• 3.2.1 无线传输能量模型
• 3.2.2 协议算法描述
• 3.2.3 簇首选择算法
• 3.2.4 簇的建立过程
• 3.2.5 数据传输过程
• 3.2.6 LEACH协议的优缺点
• 第四章 基于能量均衡与距离协同的路由协议（EBACH）
• 4.1 算法提出背景
• 4.2 EBACH协议概述
• 4.2.1 网络模型
• 4.2.2 节点类型
• 4.2.3 节点状态
• 4.2.4 协议概述
• 4.3 EBACH协议中簇的建立
• 4.3.1 簇的建立过程
• 4.3.2 中继节点选择算法
• 4.3.3 簇建立过程中节点状态变迁
• 4.4 EBACH协议的数据传输过程
• 第五章 EBACH协议仿真及性能分析
• 5.1 EBACH协议的特点分析
• 5.2 仿真工具
• 5.3 仿真环境
• 5.4 仿真结果分析
• 5.4.1 性能评价指标
• 5.4.2 仿真结果分析
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表学术论文和参加项目
• 学位论文评阅及答辩情况表