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无线传感器网络的研究 ——分簇路由算法设计与改进

2020-12-07阅读(460)

无线传感器网络的研究 ——分簇路由算法设计与改进

论文摘要

无线传感器网络是一个多跳的、动态的自组织网络,网络中的传感器节点体积小,能量、带宽、内存等资源有限,使得传统的路由协议很难适用。而降低能耗、延长网络生存期就成为了无线传感器网络路由设计的关键。已有研究表明分簇路由算法作为无线传感器网络路由协议的一个重要种类,在均衡网络节点的能耗负载、延长网络生存期方面表现良好,同时这类路由协议能够很好地适用于大规模的无线传感器网络环境,具有良好可扩展性。本文首先对分簇算法的基本理论进行研究。在总结目前提出的一些分簇算法优缺点的基础上,针对传感器网络中能量异构,成簇过程中的簇头选举和通信控制开销,以及运行过程中出现的“热点问题”,提出了一种基于能量分布的异构传感器网络分簇算法EDBCA（Energy Distribution Based Clustering Algorithm for Heterogeneous Wireless Sensor Networks）。该算法采用基于节点剩余能量分布状况的簇头竞争参数,同时引入节点定时器,在成簇过程中只需发送少量的控制信息,能够有效降低成簇过程的通信能耗并实现簇头的均匀分布。在簇间路由时,针对无线传感器网络集中式数据收集、多跳传输模型和“多对一”通信的特征,采用基于转发权值的多跳路由机制,有效地避免了能量空洞问题的发生,延长了网络的生存时间。此外在文中对提出的算法步骤与依据分别从理论和实验两方面进行了一定分析和说明。无线传感器网络中,若数据的传输沿单一路径进行,则容易造成路径上低能量的瓶颈节点快速耗竭,进而引起网络割裂成几个孤立部分,无法正常工作。针对这一问题,本文设计了另一种基于分簇的异构传感器网络多径路由算法CBMPR （Clustering Based Multi-Path Routing algorithm for hetero Wireless Sensor Networks）。该算法基于分簇与多径路由思想,在成簇时综合考虑簇内通信能耗以及节点剩余能量与区域能量均值的差异,较好地均衡了簇间能耗。在路由发现过程中,引入节点关键能量的概念,构建基于最短路径的多层网络模型,使得数据传输节点在选择下一跳路由节点时,以转发节点的关键能量占所有转发节点关键能量之和的百分比作为转发概率,实现多路径传输。CBMPR算法有效地降低传输路径上低能量节点耗竭的速度,并使得数据传输具备一定的可靠性。对该协议的性能进行实验评估,结果表明所设计的协议可有效延长网络生命期,具有良好的整体性能和一定的实用价值。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 课题的背景
  • 1.2 研究现状
  • 1.3 本文主要工作
  • 1.4 论文结构
  • 第二章 无线传感器网络概述
  • 2.1 无线传感器网络的基本概念
  • 2.2 无线传感器网络的基本特点
  • 2.3 无线传感器网络的关键技术
  • 2.4 无线传感器网络体系结构
  • 2.4.1 无线传感器网络结构
  • 2.4.2 无线传感器网络节点
  • 2.4.3 无线传感器网络生成
  • 2.5 无线传感器网络协议栈
  • 第三章 无线传感器网络路由协议分析比较
  • 3.1 无线传感器网络路由协议概述
  • 3.2 无线传感器网络路由协议特点
  • 3.3 无线传感器网络路由协议设计目标
  • 3.4 路由协议分类
  • 3.4.1 泛洪式路由协议
  • 3.4.2 基于数据中心的路由协议
  • 3.4.3 基于位置信息的路由协议
  • 3.4.4 层次式路由协议
  • 3.4.5 典型路由协议性能比较
  • 第四章 基于能量分布的异构传感器网络分簇算法
  • 4.1 问题分析
  • 4.1.1 网络能量异构
  • 4.1.2 簇头选择与通信开销
  • 4.1.3 热点问题
  • 4.1.4 簇间路由选择
  • 4.2 EDBCA 算法设计基本目标
  • 4.3 网络模型和能量模型
  • 4.3.1 网络模型
  • 4.3.2 能量模型
  • 4.4 EDBCA 算法设计基本思路
  • 4.5 算法实现
  • 4.5.1 簇的组建
  • 4.5.2 能量感知的路由选择算法
  • 4.6 EDBCA 算法分析
  • 4.7 实验与分析
  • 4.7.1 仿真实验环境与参数设置
  • 4.7.2 实验结果与分析
  • 第五章 基于分簇的异构传感器网络多径路由算法
  • 5.1 问题与解决思路
  • 5.1.1 分簇
  • 5.1.2 多径路由
  • 5.2 CBMPR 算法设计基本目标
  • 5.3 网络模型
  • 5.4 CBMPR 算法设计
  • 5.4.1 成簇算法设计
  • 5.4.2 路由算法设计
  • 5.5 CBMPR 算法分析
  • 5.6 实验与分析
  • 5.7 EDBCA 与CBMPR 算法的对比实验
  • 第六章 结论与展望
  • 6.1 论文小结
  • 6.2 论文的主要创新点
  • 6.3 论文存在的问题以及未来工作的展望
  • 致谢
  • 参考文献
  • 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文

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