无线传感网络组网及路由算法的研究

论文摘要

无线传感器网络(WSN),是上世纪90年代兴起的研究领域,以其灵活、快速、自组织等优点,目前在全球范围内受到了广泛关注。在无线传感器网络中,由于无线传感器节点本身具有小型、轻量、廉价的特点,所以不可能携带很多能源,因此节点和网络的节能一直是该领域研究的重点之一。高效、节能的组网和路由算法就是应这种要求而不断发展的。在节点数量较多的网络中,采用簇状网络可以有效的减少数据的延迟,增强网络的延展性和节能性能,因此簇状网络协议也是无线传感器网络研究中的重点之一。LBCP协议是应用了网络分层、不等半径分簇等多种思想的一种簇状无线传感器网络协议。然而在该协议实际应用之前,仍有一些环节需要改进,本课题的目的就是针对LBCP协议的不足加以改进。针对LBCP协议采用的以RSSI为基础的测距算法,本文讨论了该算法的误差产生原理,以及在本协议中应用该算法可能带来的测距误差大、产生非最优簇头、影响最终簇头数等缺陷。在LBCP协议中引入了基于网络分层的测距算法,并对引入该算法后的测距精度和最终簇头数目进行了理论与仿真相结合的分析,验证了改进的有效性。针对LBCP协议中提出的两种簇间干扰避免机制,本文分析了它们各自的优缺点,阐释了它们在实际应用中需要额外硬件和额外采集周期等局限性。在LBCP协议中引入了“带退避的TDMA"簇间干扰避免机制,阐述了该机制的思想以及该机制与LBCP协议相结合的步骤,给出了采集周期等指标的估算方法,并估算了给定网络参数下的采集周期,对结果进行了仿真验证,为实际应用提供了指导。对改进后的协议的能量性能进行了仿真验证。采用了不只关注生存节点数目,同时也关注生存节点位置分布的分析思想,验证了改进后的LBCP协议在节能以及网络节点间能耗平衡方面的有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的意义
• 1.2 无线传感器网络的组网和路由协议简介
• 1.2.1 无线传感器网络的组网结构
• 1.2.2 无线传感器网络路由协议分类
• 1.3 无线传感器网络路由协议研究发展现状分析
• 1.3.1 Zigbee路由协议的发展现状
• 1.3.2 分簇路由协议研究现状
• 1.4 本文的研究内容及结构安排
• 1.4.1 本文研究内容
• 1.4.2 本文的结构
• 第二章 基于网络分层的非均匀分簇数据收集协议简介
• 2.1 协议的基本思想
• 2.2 LBCP协议中的重要算法
• 2.2.1 网络时间同步
• 2.2.2 网络节点距离测算
• 2.2.3 非均匀分簇
• 2.2.4 避免簇间干扰
• 第三章 LBCP协议节点距离测算算法的改进
• 3.1 LBCP协议测距算法的缺陷及影响
• 3.1.1 测距算法存在的缺陷
• 3.1.2 测距算法误差对其他环节的影响
• 3.2 测距算法的改进
• 3.3 改进算法分析
• 3.3.1 新算法与原算法的比较
• 3.3.2 新算法的定性理论分析
• 3.3.3 新算法的数值分析
• 第四章 LBCP协议簇间防干扰机制的改进
• 4.1 原协议中簇间干扰避免机制的缺陷及影响
• 4.1.1 各簇DSSS码+簇内TDMA机制的缺陷及影响
• 4.1.2 簇间簇内两级TDMA机制的缺陷及影响
• 4.2 新的簇间干扰避免机制
• 4.2.1 新机制的思想
• 4.2.2 带退避的TDMA机制的实现
• 4.3 改进机制的分析
• 4.3.1 带退避的TDMA机制采集周期分析
• 4.3.2 带退避的TDMA机制其他优缺点分析
• 第五章 改进后的LBCP协议的仿真分析
• 5.1 仿真环境及网络参数
• 5.1.1 NS2网络仿真工具介绍
• 5.1.2 仿真网络环境参数
• 5.2 仿真结果及分析
• 第六章 总结与展望
• 6.1 课题的内容总结及分析
• 6.2 课题的后续工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文