基于拓扑控制的无线传感器网络能量有效分簇路由协议的研究

论文摘要

本文首先对无线传感器网络进行了简要概述,着重介绍了拓扑控制思想、节能技术以及路由协议的设计要求和仿真工具等,分析和比较了现有典型路由协议,并对LEACH分簇路由协议作了重点分析。在借鉴现有路由协议中的分簇思想的基础上,针对节点数众多的大型网络,本文提出了一种基于拓扑控制和分簇的能量有效路由协议(Routing Protocol based on Topology Control and Clustering,简称RPTCC)。该协议以节约能耗,延长网络生存期为主要目标。协议的思想是将大型网络在逻辑上分为两层,簇成员与簇头之间的通信以及簇头与基站之间的通信相对独立,分别优化。在网络构造阶段,对簇头和基站应用拓扑控制算法,研究了两种能量有效的方法：第一种方法是最优化地设计网络中的基站位置,使得每个簇头节点及距它最近的基站距离减小；第二种是拓展一种路由技术来合理安排簇头与基站之间的通信,用以保证监测信息被合理采集并有效地传送到客户端；在簇建立阶段,设计了一种基于网络最优簇首数目及能量适应阈值的新型簇首选择机制,并在信道接入方式中采用了TDMA机制;在稳定工作阶段,下层网络分簇后直接进行信息采集,上层网络采用拓扑控制的转发机制将采集的数据送到基站。通过对两个网络层次的优化,达到合理分配网络能耗、最大化网络生存期的目的。随后在NS2软件平台上进行了RPTCC协议的仿真实验。根据仿真结果分别与DIRECT、LEACH协议进行对比分析,并设定了对上层网络进行不同图分割时的情况。仿真结果表明,该协议相比其它协议更有效的降低了整个网络的能耗,保证了基站数据接收量,并最大化延长了网络生存时间。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 WSN概述
• 1.1.1 WSN体系结构
• 1.1.2 WSN协议栈
• 1.1.3 WSN特点
• 1.2 WSN国内外发展现状及研究热点
• 1.2.1 WSN研究现状
• 1.2.2 WSN的研究热点
• 1.2.3 WSN的研究热点
• 1.3 课题研究目的和意义
• 1.4 本文研究内容及结构安排
• 2 WSN路由协议
• 2.1 WSN路由协议特点
• 2.2 WSN路由协议设计要求
• 2.3 典型路由协议的分析研究
• 2.3.1 平面路由协议
• 2.3.2 层次路由协议
• 2.3.3 典型路由协议比较
• 2.4 基于LEACH的分簇路由协议介绍
• 2.4.1 LEACH协议算法描述
• 2.4.2 LEACH分簇协议的优缺点
• 2.5 本章小结
• 3 基于拓扑控制的能量有效路由协议
• 3.1 RPTCC协议网络模型实现前提条件
• 3.2 RPTCC网络构造阶段
• 3.2.1 关于网络分层的思考
• 3.3 RPTCC系统模型
• 3.3.1 多个基站的网络结构
• 3.3.2 网络图定义
• 3.3.3 射频能量模型
• 3.3.4 网络生存期定义
• 3.4 基站放置的最优化
• 3.4.1 现有的图分割技术
• 3.4.2 实际问题描述
• 3.4.3 优化问题解决方案
• 3.4.4 基站具体放置方案
• 3.5 簇头间通信
• 3.5.1 模型和符号
• 3.5.2 流守恒定律
• 3.5.3 生存期模型
• 3.5.4 簇内通信方法
• 3.5.5 最大化网络生存期
• 3.6 本章小结
• 4 能量有效的分簇路由协议的改进
• 4.1 RPTCC协议的能耗模型
• 4.2 阀值公式T（n）的改进
• 4.3 TDMA机制在建立阶段的应用
• 4.4 RPTCC协议建立阶段总的过程
• 4.5 RPTCC协议数据传输策略
• 4.6 本章小结
• 5 RPTCC数据分析与仿真
• 5.1 拓扑控制分层网络基站放置仿真
• 5.2 拓扑控制分层网络簇头间通信仿真
• 5.2.1 簇头通信仿真分析
• 5.2.2 性能仿真结论
• 5.3 NS2仿真工具介绍
• 5.3.1 NS2概述
• 5.3.2 NS2体系结构
• 5.3.3 NS2的功能模块
• 5.3.4 NS2的仿真过程
• 5.4 分簇路由协议在NS2中的实现
• 5.4.1 仿真实验流程及MITuAMPS扩展包
• 5.4.2 协议的程序设计
• 5.5 分簇路由协议网络性能评价指标
• 5.6 分簇路由协议仿真实验研究
• 5.6.1 仿真环境及方法
• 5.6.2 数据提取及分析过程
• 5.6.3 仿真结果与分析
• 5.7 本章小结
• 6 总结和展望
• 致谢
• 参考文献