基于簇的异构无线传感器网络能量有效路由算法研究

论文摘要

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSNs)作为一种新型的融合计算机、通信、传感器等多学科的信息获取和处理技术,其具有广泛的应用前景,受到了来自军界、学术界和工业界的普遍推崇与青睐。目前,WSNs的研究主要集中于同构WSNs领域。相对于同构网,异构无线传感器网络(Heterogeneous WSNs,HWSNs)由具有不同感测能力、计算处理能力、通信能力和初始能量配置的传感器节点组成,是同构WSNs在理论及应用领域研究的推广与深入,与实际应用场景更接近,更能满足广泛的异构世界对不同WSNs网络模型的需求。同时,由于传感器节点的电池能量有限,而且部署区域环境复杂,对其进行能量补给十分困难,如何实现网络的能量有效也是HWSNs首要研究的问题之一。目前,HWSNs的能量有效性研究主要建立在分簇模型上。本文针对HWSNs的异构特性,对异构分簇能量有效路由算法进行了探索性研究,提出了一种新的异构分簇能量有效路由算法。本文所作的主要工作如下:第一、构建异构网络模型。通过对当前同构WSNs网络模型的研究,并结合实际应用场景的需求提出了完整的HWSNs网络模型;论述了HWSNs的四种异构表现形式、异构网的特点与挑战、关键技术与性能评价指标;介绍了HWSNs的体系结构,为设计新的异构分簇路由算法奠定基础。第二、规划异构网络的能量消耗模型。在异构网络模型提出的基础上,对异构分簇网络模型的能量消耗进行了数学规划。以异构WSNs的生存周期最长为目标函数进行数学建模,推导出不同异构模型下求取优化簇头数目的函数,建立了同构模型和异构模型之间的统一,为HWSNs能量有效分簇路由算法的设计提供指导。第三、设计与验证EDFCM算法。通过综合考虑节点的初始能量、能量消耗速率及剩余能量等因素提出了基于能量消耗预测的分簇路由算法EDFCM。同时,为了保证稳定的簇头数目及传感任务的有效执行,EDFCM算法引入了簇头管理机制。为了对该算法进行综合的性能评价,本文在Matlab 2007上对EDFCM算法进行了模拟仿真。仿真结果表明:EDFCM算法改进了传统无线传感器网络分簇路由算法中簇头数目不稳定的缺陷并有效延长了网络的生存周期。在异构网络的稳定周期指标上,EDFCM算法较经典的LEACH算法与DEEC算法分别提高了200%与18%;此外,在数据的有效传送指标上,较前两种算法EDFCM分别提高了50%与14%。上述充分验证了EDFCM算法是适用于HWSNs的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 课题研究现状
• 1.3 研究的目的及意义
• 1.4 研究的主要内容
• 1.5 论文的组织结构
• 第二章 异构无线传感器网络概述
• 2.1 异构无线传感器网络概念
• 2.1.1 几种典型的传感器网络异构表现形式
• 2.1.2 异构无线传感器网络的特点与挑战
• 2.1.3 异构无线传感器网络的性能评价
• 2.2 异构无线传感器网络体系结构
• 2.2.1 异构无线传感器网络结构
• 2.2.2 传感器节点结构
• 2.2.3 无线传感器网络协议栈
• 2.3 异构无线传感器网络的关键技术
• 2.4 本章小结
• 第三章 异构分簇传感器网络能量有效路由算法研究
• 3.1 异构无线传感器网络路由算法的特点和设计要求
• 3.2 异构分簇无线传感器网络路由算法研究进展
• 3.2.1 固定簇头分簇算法
• 3.2.2 周期性选择簇头的分簇算法
• 3.3 典型异构分簇能量有效路由算法分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于簇的异构传感器网络能量有效路由算法
• 4.1 研究背景
• 4.2 相关模型
• 4.2.1 异构网络模型
• 4.2.2 无线通信模型
• 4.2.3 数据聚合模型
• 4.3 基于簇的异构传感器网络能量有效性分析
• 4.3.1 基于簇的异构网络能量消耗数学规划
• 4.3.2 异构网络优化簇头数目研究
• 4.4 EDFCM 算法的提出
• 4.4.1 EDFCM 算法的假设条件
• 4.4.2 EDFCM 算法的框图描述
• 4.5 EDFCM 算法设计
• 4.5.1 簇形成过程
• 4.5.2 数据传输过程
• 4.6 本章小结
• 第五章 EDFCM 算法仿真与性能分析
• 5.1 仿真环境
• 5.2 仿真结果分析
• 5.2.1 分簇结果
• 5.2.2 簇头管理的效果
• 5.2.3 异构网络生命周期
• 5.2.4 数据传输的性能分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间的研究成果