对无线传感器网络中分簇路由协议的综合分析与研究

论文摘要

微机电系统（MEMS）越来越广泛的应用促进了更智能化的传感器的产生,这使得无线传感器网络在近年来获得了越来越多的关注。与传统的传感器相比,这些传感器节点拥有有限的计算和处理能力,体积更小也更便宜。这些节点可以从环境中感知、测量、采集信息,并且可以经过本地处理之后传送给用户。无线传感器网络在军事、医疗、空间探索、环境监测以及工业、民用和家庭网络等领域具有广泛的应用前景,其发展和应用将会给人类生产生活的各个领域带来深远的影响。但是由于诸如处理能力、储存容量、节点能源以及带宽等的约束,要使它得到大规模应用还存在许多需要解决的问题,设计一个满足需要的高效路由协议就是其中之一。本文首先介绍了无线传感器网络的概念、研究背景、应用前景及国内外研究现状、无线传感器网络的分类和特点,研究了无线传感器网络的协议栈和路由协议的分类,分析和比较了几种有代表性的路由协议及其性能和优缺点,并着重分析和研究了无线传感器网络的分簇路由协议。本文选择了经典分簇路由协议LEACH （Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）作为研究重点,分析了其中存在的问题,并针对这些问题在原有算法的基础上提出了改进方案。概括为以下几点：首先是考虑到剩余能量问题,改进了阈值T（n）的计算方法；其次是簇间采用单跳与多跳相结合的通信方式,簇首节点只需将数据发送给邻近的簇首节点而不是相距很远的sink节点,可以减少簇首节点的能耗,平衡整个网络的负载；最后是在分簇时考虑最大连通度问题,并反其意而用之,优化分簇格局,尽量避免“热区”问题,平衡簇内负载。对于以上几点改进,采用OPNET网络仿真工具进行了仿真和分析,仿真结果表明,改进后的路由算法I-LEACH（improved-LEACH）比原来的LEACH算法延长了网络生命周期,降低了系统整体能耗,增强了网络的可扩展性。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 无线传感器网络的概念
• 1.2 无线传感器网络发展现状
• 1.3 无线传感器网络的应用领域与发展前景
• 1.4 课题研究意义与目的
• 1.5 论文结构安排
• 第二章 无线传感器网络简介
• 2.1 传感器网络的分类
• 2.2 传感器网络的体系结构
• 2.2.1 传感器网络的结构
• 2.2.2 传感器节点的结构
• 2.3 WSN的关键性技术问题
• 2.3.1 低功耗自组
• 2.3.2 低成本
• 2.3.3 通信问题
• 2.4 本章小结
• 第三章 无线传感器网络协议栈
• 3.1 物理层
• 3.1.1 通信介质
• 3.1.2 物理层的相关协议标准
• 3.2 数据链路层
• 3.2.1 媒体访问控制协议（MAC）
• 3.2.1.1 无线传感器网络中MAC协议的性能指标
• 3.2.1.2 无线传感器网络中MAC协议的能耗因素
• 3.2.1.3 无线传感器网络中MAC协议的分类
• 3.2.2 错误控制
• 3.3 网络层
• 3.3.1 网络层分析
• 3.3.2 路由协议分类
• 3.4 传输层
• 3.5 应用层
• 3.6 小结
• 第四章 无线传感器网络路由协议算法分析
• 4.1 无线传感器网络路由协议分类
• 4.2 平面路由协议
• 4.2.1 洪泛法（Flooding）和闲聊法（Gossip）
• 4.2.2 基于信息协商的传感器协议（SPIN）
• 4.2.3 定向扩散（DD）
• 4.2.4 最小代价前向协议（MCF）
• 4.2.5 MTE协议
• 4.2.6 SAR协议
• 4.3 层次路由协议
• 4.3.1 低能量自适应簇类层次协议（LEACH）
• 4.3.2 门限敏感能量有效传感器网络协议（TEEN）
• 4.3.3 HEED
• 4.3.4 PEGASIS协议
• 4.4 位置路由协议
• 4.5 路由协议性能分析与比较
• 4.6 本章小结
• 第五章 对LEACH协议的分析与改进
• 5.1 无线传感器网络的能耗模型
• 5.2 LEACH协议研究
• 5.2.1 LEACH协议的网络模型
• 5.2.2 LEACH协议算法分析
• 5.2.2.1 簇首选择算法
• 5.2.2.2 簇形成阶段
• 5.2.2.3 稳定工作阶段
• 5.3 LEACH路由协议存在的问题
• 5.3.1 分簇算法问题
• 5.3.2 簇间的通信方式问题
• 5.4 对LEACH路由协议的几点改进
• 5.4.1 阈值T（n）的计算
• 5.4.2 簇间采用多跳路由
• 5.4.3 分簇时考虑连通度
• 5.5 本章小结
• 第六章 基于OPNET仿真平台的仿真结果及分析
• 6.1 OPNET仿真平台简介
• 6.2 无线信道模型的建立
• 6.3 仿真模型的建立
• 6.3.1 节点模型与进程模型
• 6.3.2 网络模型
• 6.4 仿真结果分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表