无线传感器网络中LEACH协议的研究与改进

论文摘要

无线传感器网络是由具有感知和通信功能的传感器节点构成的自组网络，是传感技术、通信技术、计算机技术等多种技术发展的产物。由于传感器节点能量供应的特点，节能技术一直是无线传感器网络研究的关键技术。节能的主要途径有改善硬件设计和对软件进行优化，其中网络路由协议是软件优化的一个重要环节。目前国内外的研究者对网络路由协议做了深入细致的研究，提出了不少优化算法。但大多数的优化算法中将节能的重点放在数据传输阶段，对簇头形成过程中报文交换带来的能量消耗研究较少；在数据传输阶段，有部分学者提出了基于蚁群的多跳传输，但鲜有同时引入能量预测方法的研究。本文提出的算法将主要从簇头选举和簇头数据传输两个方面进行改进。本文简要介绍了无线传感器网络的路由协议；选择了典型的分簇路由协议LEACH作为研究对象，论述了其原理、特点和不足，特别是分析了其簇形成过程中的能量消耗。根据LEACH协议能量消耗的特点，提出了一种改进的路由协议。主要内容为：首先，改进的路由协议修改了簇头产生的阈值的计算方法，让能量多、距离Sink近的节点当选为簇头的概率增大；并引入了能量和距离加权因子，调整能量和距离在阈值计算中的比重。然后，修改了簇头生成机制，采用全网选举簇头和簇内选举簇头相结合的方式，减少了簇头选举的次数，降低了簇头选举过程中的能量消耗。簇头数据传输采用了多跳通信的方式，簇头根据蚁群算法原理寻找下一跳节点，并引入了能量预测机制，避免了优化路径过于集中，避免簇头节点因过多转发数据而消耗能量。最后，通过Matlab仿真对LEACH协议、SEP协议和改进协议进行了对比分析，结果表明，本文提出的算法能有效的降低节点能耗，均衡网络负载，提高了单位能耗利用率，延长了网络寿命。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究的目的和意义
• 1.3 本文的研究内容及主要工作
• 1.4 本文组织结构及章节编排
• 第2章 无线传感器网络及路由协议
• 2.1 无线传感器网络概述
• 2.1.1 无线传感器网络系统结构
• 2.1.2 传感器节点构成
• 2.1.3 无线传感网络的特点
• 2.2 无线传感器网络的节能策略
• 2.3 无线传感器网络路由协议
• 2.3.1 无线传感器网络路由协议栈模型及其性能衡量指标
• 2.3.2 经典的无线传感器网络路由协议
• 2.3.3 无线传感器网络路由协议发展中面临的主要问题
• 2.4 无线传感器网络的应用
• 2.5 小结
• 第3章 LEACH 协议的研究与改进
• 3.1 分簇路由协议的原理
• 3.2 LEACH 协议的相关研究
• 3.3 LEACH 协议的研究与分析
• 3.3.1 LEACH 协议的工作过程
• 3.3.2 LEACH 协议的网络模型
• 3.3.3 LEACH 协议能量消耗模型
• 3.3.4 簇头选举过程中的能量消耗分析
• 3.3.5 LEACH 协议特点
• 3.3.6 LEACH 协议不足
• 3.4 簇头选举过程的改进
• 3.4.1 所有存活节点参与簇头选举的机制
• 3.4.2 簇内簇头选举机制
• 3.5 簇头数据传输过程的改进
• 3.5.1 蚁群算法
• 3.5.2 基于蚁群的能量预测机制
• 3.6 小结
• 第4章 改进协议的仿真与分析
• 4.1 仿真软件介绍
• 4.2 性能评价指标
• 4.3 仿真场景设置
• 4.4 结果分析
• 4.5 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录
• 附录 B 攻读学位期间所参与的研究项目