能量均衡的无线传感器网络路由算法

论文摘要

无线传感器网络是一门融合了传感器、计算机、通信、微电子、信息处理等多学科的交叉科学,随着相关技术的迅速发展,低成本、低功耗、多功能的小体积传感器节点日益成熟,无线传感器网络已经成为新兴的研究热点。本文首先介绍了无线传感器网络的研究背景、国内外研究现状,以及无线传感器网络及其路由协议的相关知识。由于无线传感器网络节点能量有限且不能补给,能耗成为了无线传感器网络路由算法关心的重要问题。本文针对能耗均衡及生存时间问题,提出了两种基于分簇的路由算法:EDDR算法和CERA算法。然后分别从算法思想、算法模型、算法流程及详细描述、试验仿真等方面对所提出的算法进行了全面介绍,并通过仿真验证了算法的优异性能。其中,EDDR算法是应用于节点静止不动的环境,其设计思想主要包括簇头选择和簇间路由两个方面的改进。在簇头选择上,运用能量优先和簇头间最短距离的限制条件改进了LEACH中簇头选择的随机性,使簇头分布更加均匀,担任簇头所消耗的能量可以更好的分担到各个节点上;在簇间路由上,运用了多跳方式,并利用了基于能量距离复合权值的Dijkstra算法产生簇间的最短路径,降低了簇间数据传输的能耗。在MATLAB仿真实验中,EDDR算法相对与LEACH算法提高了能耗均衡性,延长了网络生存时间。CERA算法是应用于节点运动的环境,设计思想是在只依靠移动传感器节点自组织的条件下,形成适应性较好的簇结构,并保持较好的簇稳定性。现阶段许多节点移动环境下的无线传感器网络路由算法都需要附加额外的条件,如加入固定节点,这实际上限制了算法的应用环境。本文中提出的CERA算法在没有附加额外条件情况下,在成簇阶段进行了多方面考虑:一是簇结构的范围限制在自由空间模型的传输临界距离do半径范围之内,较小范围的簇结构除了在移动环境相对保持稳定外,还能节省数据传输的能量;二是簇头采用了复合权值的方式进行选择,权值不仅仅考虑了节点能量,也考虑了传感器节点移动环境下非常重要的因素——节点的移动速度和节点的聚集性,节点的权值越大,才越有机会成为候选簇头。在MATLAB仿真实验中,CERA算法有效提高了无线传感器网络的能耗均衡性,延长了网络的生存时间,节点的数据发送成功率相对于LEACH也得到了较大提高。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文的主要研究内容
• 1.4 论文的章节安排
• 2 无线传感器网络概述
• 2.1 无线传感器网络的概念及特点
• 2.2 无线传感网络的体系结构
• 2.2.1 无线传感器网络结构
• 2.2.2 传感器节点结构
• 2.2.3 传感器网络协议栈
• 2.3 无线传感器网络的应用领域
• 2.4 本章小结
• 3 无线传感器网络路由协议概述
• 3.1 路由概念及特点
• 3.2 路由协议分类
• 3.2.1 平面路由协议
• 3.2.2 分层路由协议
• 3.3 本章小结
• 4 基于能量距离 Dijkstra 算法的能量均衡 WSN 路由算法
• 4.1 问题的提出
• 4.2 EDDR 算法思想
• 4.3 EDDR 算法模型及具体描述
• 4.3.1 网络模型
• 4.3.2 传播模型
• 4.3.3 能量模型
• 4.3.4 最佳簇头比例
• 4.3.5 簇头的选择及簇间路由
• 4.4 EDDR 算法流程及详细实现过程
• 4.4.1 EDDR 算法流程
• 4.4.2 EDDR 算法实现过程
• 4.5 仿真与分析
• 4.5.1 节点能量相同的仿真比较
• 4.5.2 节点能量不同的仿真比较
• 4.6 本章小结
• 5 移动环境下基于分簇的能量均衡 WSN 路由算法
• 5.1 WSN 移动性问题的提出
• 5.1.1 WSN 移动性产生的原因
• 5.1.2 移动环境下的WSN 路由算法
• 5.2 CERA 算法思想
• 5.3 CERA 算法模型及数据结构设计
• 5.3.1 网络模型
• 5.3.2 移动模型
• 5.3.3 节点的数据结构
• 5.3.4 CERA 算法中的控制包
• 5.4 CERA 算法流程及详细实现过程
• 5.4.1 CERA 算法流程
• 5.4.2 CERA 算法实现过程
• 5.5 仿真与分析
• 5.5.1 网络生存时间的仿真比较
• 5.5.2 数据发送成功率的仿真比较
• 5.6 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 后续研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录