基于分簇的无线传感器网络节能路由算法研究

论文摘要

集成了传感器、嵌入式计算、网络和无线通信四大技术而形成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—种新型的无基础设施的无线网络，能够协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理，传送到需要这些信息的用户。无线传感器网络是计算机科学技术的一个新的研究领域，具有十分广阔的应用前景，引起了学术界和工业界的高度重视。本文首先介绍了无线传感器网络，分析和比较了几种现有的满足无线传感器网络资源有限特性的层次路由协议和算法。基于分簇的路由协议通过分簇网络结构可以减少由于节点移动对路由算法带来的影响和路由发现过程中的洪泛开销，并且能够加速路由的查找过程。另外，采用基于分簇的路由可以减少参与路由计算的节点数目和路由表尺寸，从而降低路由信息所需要的通信开销和维护路由表所需的内存开销，可扩展性好。当网络规模较大时，采用基于分簇的路由算法是一种较好的选择。本章提出了一种完全分布的、高效节能的数据通信协议，其特点是依据某一簇头选举策略选出的簇头将网络中节点组织成簇后，形成以簇头为圆心的多个簇域，簇内成员节点采用单跳直接传输方式将感知的数据传送给簇头节点，由簇头进行融合。在簇头与基站(BS)的通信中，协议引入了网关节点，这些节点将相邻接的簇头连接起来。形成多跳路由路径。为了使簇头对网关的选择具有优化性，协议引入了权值W，W是每轮中综合考虑簇头与基站的距离以及簇头剩余能量的参数，基站根据权值给各个簇头分配一个标识，在簇头选择网关传送数据给邻接簇头时，同时考虑邻接簇头的标识以及网关的剩余能量，选择一条局部优化的路径将数据发送给一个接簇头，该邻接簇头同样选择一条路径进行传输，如此逐步形成一条从簇头到基站的多跳路径。协议的主体思想就是通过网关将相邻的簇头进行连接，并在实际传输中选择合适网关，形成从簇头到基站的优化的多跳路径，从而均衡节点能量消耗，延长网络的生命周期。通过理论分析和仿真实验得到了优化的参数，并将新协议与传统的分簇路由协议进行了能耗对比，结果显示了新协议的节能优越性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 传感器网络的关键技术
• 1.2.1 网络拓扑控制
• 1.2.2 网络协议
• 1.2.3 网络安全
• 1.2.4 时间同步
• 1.2.5 定位技术
• 1.2.6 数据融合
• 1.2.7 数据管理
• 1.2.8 无线通信技术
• 1.2.9 嵌入式操作系统
• 1.2.10 应用层技术
• 1.3 问题的提出
• 1.3.1 传感器网络的特征
• 1.3.2 路由协议需求
• 1.4 本文研究内容和意义
• 1.5 本文组织结构
• 第2章 无线传感器网络体系结构
• 2.1 传感器节点的软、硬件结构
• 2.2 无线传感器网络体系结构
• 2.3 传感器网络协议栈
• 2.4 传感器网络的能量策略
• 2.4.1 传感器硬件设计
• 2.4.2 多跳通信
• 2.4.3 MAC层协议
• 2.4.4 路由协议算法
• 2.4.5 数据融合
• 2.5 本章小结
• 第3章 无线传感器网络分簇控制结构
• 3.1 无线传感器网络结构
• 3.2 无线传感器分簇算法
• 3.2.1 分簇算法基本概念
• 3.2.2 分簇算法基本目标及其性能评价
• 3.3 分簇算法在传感器网络中的应用
• 3.3.1 基于分簇的MAC协议
• 3.3.2 基于分簇的路由协议
• 3.3.3 基于分簇的网络管理
• 3.4 本章小结
• 第4章 路由协议节能性研究
• 4.1 平面式路由协议
• 4.1.1 扩散法
• 4.1.2 闲聊法
• 4.1.3 SPIN
• 4.1.4 SAR
• 4.1.5 定向扩散
• 4.2 层次路由协议
• 4.2.1 LEACH
• 4.2.2 PEGASIS
• 4.2.3 TEEN
• 4.3 其他算法
• 4.4 路由分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 一种基于分簇的无线传感器网络节能路由算法的设计及实现
• 5.1 能量消耗模型
• 5.2 新协议的设计与实现
• 5.2.1 设计思想
• 5.2.2 成簇算法描述
• 5.2.3 簇组织阶段
• 5.2.4 簇间路由组织阶段
• 5.2.5 数据传输阶段
• 5.3 参数优化及新协议算法评估
• 5.3.1 优化的成簇数目
• 5.3.2 协议能耗性能评估
• 5.4 本章小结
• 第6章 结束语
• 6.1 论文工作总结
• 6.2 未来研究方向
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表论文
• 学位论文评阅及答辩情况表