无线传感器网络LEACH路由协议的改进与仿真

论文摘要

无线传感器网络作为一种新兴的信息获取系统,在探测、工业生产自动化、生态环境监测等方面,都具有非常广阔的应用前景。无线传感器网络中的节点具有体积小、成本低,而且具有简单的数据处理和存储能力,除此之外,某些节点还具有定位系统移动单元等。WSN节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四部分构成,该网络以数据为中心,而且由于其中节点移动而导致拓扑结构变化比较快,造成了路由的设计比较复杂。本文介绍了无线传感器网络的路由协议种类、特点以及算法分析。并结合无线传感器网络的一些关键技术,如网络的拓扑控制,协议、数据融合、节点定位等,对无线传感器网络的物理层、网络层传输层、数据链路层、应用层以及三个管理平面（能量管理平面、移动性管理平面和任务管理平面）进行了阐述。根据路由发现策略的角度不同,将无线传感器网络路由协议分为主动路由和被动路由两种类型；可根据网络管理的逻辑结构不同,将无线传感器网络路由协议分为平面路由和分层结构路由两类。按照该网络的特点提出了具体的设计要求,对平面、层次、基于地理位置以及能量感知的集中典型路由进行了简单的介绍,针对各个路由的优缺点进行了综合比较。文中针对LEACH存在的不足,提出了LEACH-M协议,其具体方案如下：1.改进节点的安全验证机制。采用RSSI信息和实际坐标信息进行比较的方法对网络中的节点进行了验证,用以确保网络的安全性。2.按照能量层次模型进行分析,该模型按照节点的坐标和剩余能量的综合情况将节点分为三层,由上到下依次记为：F1、F2、F3。每层设定能量门限值,用以控制节点的进入和退出。3.在能量层次模型下,对网络簇的形成以及簇首选取算法进行改进。统计每个节点邻居节点数目,根据邻居节点进行分簇,按照最优簇首个数,选取簇首。4.簇首之间的路由改进。这个改进主要是针对距离基站较远的簇首节点,选择在基站方向上的簇首作为下一跳节点进行路由建立。以上方案在NS-2仿真平台上从节点个数,节点能耗以及基站接收数据量等几个方面进行了验证,经过实验得出,LEACH-M协议降低了能耗,提高了网络性能。本文得到国家自然科学基金项目（批准号：60773211,60672137,60970064）、国家软件开发环境重点实验室开放基金课题（批准号：SKLSDE-2009KF-2-02）、教育部博士点基金项目（批准号：20060497015）、湖北省杰出青年人才基金（批准号：2008CDB335）、新世纪优秀人才支持计划（批准号：NCET-08-0806）、霍英东高校青年教师基金基础性研究课题（批准号：121067）、武汉市科技攻关项目（批准号：201010621207）的资助。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 无线传感器网络的发展历程
• 1.3 研究现状
• 1.4 研究工作及论文的组织结构
• 1.5 本章小结
• 第2章 无线传感器网络概述
• 2.1 无线传感器网络的概念
• 2.2 体系结构
• 2.2.1 通信体系结构
• 2.2.2 节点结构
• 2.2.3 分层结构
• 2.3 无线传感器网络的特点
• 2.4 无线传感器网络的应用领域
• 2.5 无线传感器网络的关键性技术问题
• 2.6 无线传感器网络的协议栈
• 2.7 本章小结
• 第3章 无线传感器网络典型路由协议
• 3.1 无线传感器网络路由协议的特点
• 3.2 无线传感器网络的设计要求
• 3.3 无线传感器网络路由种类
• 3.3.1 平面路由
• 3.3.2 层次路由协议
• 3.3.3 基于地理位置路由协议
• 3.3.4 能量感知路由协议
• 3.4 无线传感器网络路由协议比较
• 3.5 本章小结
• 第4章 LEACH路由协议研究及改进
• 4.1 LEACH算法的描述
• 4.1.1 LEACH算法的工作流程
• 4.1.2 LEACH算法的簇首选择方法
• 4.2 LEACH算法的能量模型
• 4.3 LEACH存在的不足
• 4.4 LEACH-M协议
• 4.4.1 LEACH-M协议算法描述
• 4.4.2 LEACH-M协议关键技术
• 4.4.3 LEACH-M协议算法分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 仿真结果及分析
• 5.1 NS仿真平台
• 5.1.1 NS简介
• 5.1.2 NS-2的主要特点
• 5.1.3 NS-2网络模拟的步骤
• 5.2 LEACH-M的算法实现
• 5.3 仿真过程
• 5.3.1 仿真环境
• 5.3.2 LEACH-M协议仿真过程及分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及参加的科研情况