面向实时监测的无线传感器网络低功耗路由算法研究

论文摘要

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks, WSN）是一种获取信息的新兴技术,在各个领域皆具有广泛的应用前景,实时监测就是其中一类典型的应用系统。实时监测系统需要周期性地采集数据,并将数据传输到远程管理中心,节点持续的工作需要消耗大量的能量,由于节点能量十分有限且不能补充,这就要求实时监测网络具有低功耗的特点。目前,已经存在许多经典的低功耗路由协议,但是,路由协议具有应用相关性的特点,很难找出一种适用于所有应用场合的路由协议。因此,作者面向实时监测的应用背景,设计出一种简单有效的低功耗路由协议。本文构建了基于无线传感器网络的实时监测系统架构,针对所设计的系统架构,设计了一种基于低功耗自适应集簇分层型协议（Low Energy Adaptive Clustering Hierarehy,LEACH）的改进型低功耗路由算法。本文以降低网络节点的能量消耗,提高整个网络能量使用效率为研究方向,从而实现延长网络寿命的目的。面向实时监测的应用需求,对经典的LEACH协议进行了应用分析和改进,本文的研究内容主要包括以下四个方面:①研究了无线传感器网络现有的经典路由协议,分析了路由机制特点和存在的问题,并且从多个方面对经典的路由协议进行了比较分析。②研究了实时监测网络的特点,将分布式管理的概念引入实时监测的网络中,构建了面向实时监测的层次型无线传感器网络应用系统,提高了系统的灵活性和扩展性;并在此基础上,针对实时监测系统的架构,将LEACH协议引入实时监测网络,利用LEACH低功耗的优点,降低网络的能耗,延长网络的寿命。③对LEACH协议进行了详细的研究和分析,针对该协议存在的簇头节点分布不均匀、低能量节点有可能被选为簇头节点的问题,论文定义了公式F来选取簇头节点,杜绝低能量节点被选为簇头节点的情况,同时,论文对每个簇的规模进行了优化,解决了热点区域簇头节点容易提前死亡的问题;针对簇头节点和基站单跳通信消耗能量大的问题,论文提出基于局部信息的多跳路由算法,减少了能量消耗,延长了网络生命周期。④在设计的仿真场景下使用Matlab仿真软件对LEACH和改进算法LEACH-RM进行了仿真实验,仿真结果表明,改进算法比LEACH算法能够更好的均衡网络能量,提高了网络能量使用效率,延长了网络使用寿命,具有良好的应用价值。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 无线传感器网络的概念和特点
• 1.1.2 无线传感器网络体系结构
• 1.1.3 国内外研究现状
• 1.1.4 应用领域
• 1.2 本文课题来源及意义
• 1.2.1 课题来源
• 1.2.2 问题提出及研究意义
• 1.3 主要研究内容及论文组织
• 2 无线传感器网络路由协议
• 2.1 路由协议栈层次结构
• 2.2 路由协议概述
• 2.2.1 路由协议的主要特点
• 2.2.2 无线传感器网络路由协议评价
• 2.2.3 无线传感器网络路由协议分类
• 2.3 典型无线传感器网络路由协议简要分析
• 2.3.1 平面路由协议
• 2.3.2 分簇路由协议
• 2.4 路由协议性能对比
• 2.5 本章小结
• 3 面向实时监测的无线传感器网络
• 3.1 实时监测网络概述
• 3.1.1 实时监测网络特点及应用
• 3.1.2 实时监测网络整体结构
• 3.2 LEACH 协议的引入
• 3.3 LEACH 协议研究
• 3.3.1 LEACH 协议的网络及能耗模型
• 3.3.2 LEACH 算法描述
• 3.3.3 LEACH 簇建立阶段
• 3.3.4 稳定数据传输阶段
• 3.4 LEACH 协议应用优缺点分析
• 3.5 本章小结
• 4 LEACH-RM 改进路由算法
• 4.1 LEACH-RM 算法的基本思想
• 4.2 LEACH-RM 算法描述
• 4.2.1 网络模型及通信模型
• 4.2.2 初步区域划分
• 4.2.3 簇头产生算法
• 4.2.4 优化簇头个数及发射半径
• 4.2.5 剩余能量的修正
• 4.3 簇头到基站的多跳路由算法
• 4.3.1 多跳路由协议分类
• 4.3.2 算法提出
• 4.3.3 算法描述
• 4.3.4 实例分析
• 4.4 仿真分析
• 4.4.1 仿真环境搭建
• 4.4.2 仿真结果分析
• 4.5 本章小结
• 5 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 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
• B. 作者在攻读硕士学位期间参与的研发项目