一种基于空间相关性无线传感器网络分簇协议的研究与仿真实现

论文摘要

无线传感器网络（wireless sensor networks,WSN）是由密集分布在监控区域内的大量廉价智能传感器节点构成,通过无线通信方式形成一个多跳的自组织的网络系统。由于其能够获取客观物理信息,并同传输网络连接在一起,扩展了人们的信息获取能力,可用于军事国防、环境监测、危险区域远程控制等领域,具有十分广泛的应用前景。无线传感器网络的应用通常是通过搜集密集分布在监控区域内的多个节点观测到的某种物理信息来得到其统计特性。由于传感器节点在空间上的密集分布,节点间具有一定的空间相关性。同时,传感器节点由于其成本的廉价,其结构简单,且能量供应严重受限。如何利用无线传感器网络节点间这种空间相关性来提高节点能量使用效率、延长网络使用寿命,对无线传感器网络技术的研究具有重要意义。本文首先介绍了无线传感器网络的体系结构及其协议栈、分析比较了现有的MAC层和路由层协议,讨论了无线传感器网络的主要能量消耗和性能指标,以及无线传感器网络的空间相关特性。对于多数无线传感器网络应用,在最大失真允许范围内,可以确定一个相关半径,距离小于相关半径的两个节点观测的物理信息具有高度空间相关性。利用这种空间相关特性,本文设计了一种基于空间相关性分簇网络协议SCCP（Spatial Correlation-based Clustering Protocol）。该协议提出在每一轮通信中同一相关区域内可以只选择一个代表节点发送信息,而其他节点休眠。同时,所有代表节点采用一种新型的分簇协议形成若干分布均匀、大小一致的簇。每个簇内选举一个簇头,其他簇内代表节点以时分复用方式传送数据给簇头。簇头接收到所有数据后先进行数据融合,然后直接发送到汇聚节点。这种利用空间相关区域内各节点轮换休眠的机制,在应用许可的失真范围内可以大大提高网络的能效性,延长网络的使用寿命。本文在NS-2仿真实验平台下对所设计的协议进行了具体实现,并设计一个无线传感器网络场景对协议进行了测试。通过对网络的能量消耗、吞吐量进行统计分析,结果表明本文设计的协议比原始LEACH协议在节点能量节省、提高网络使用寿命上具有很大的性能改善,对无线传感器网络的发展具有重要意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 无线传感器网络概述
• 1.1.1 无线传感器网络的体系结构
• 1.1.2 无线传感器网络的协议栈
• 1.1.3 无线传感器网络的特点
• 1.2 无线传感器网络的研究现状
• 1.3 主要研究内容和论文结构
• 第二章无线传感器网络的MAC协议及其空间相关性
• 2.1 无线传感器网络MAC协议设计准则
• 2.2 已有无线传感器网络MAC协议介绍
• 2.2.1 基于竞争的MAC协议
• 2.2.2 基于预约的MAC协议
• 2.3 基于空间相关性无线传感器网络MAC协议
• 2.3.1 无线传感器网络空间相关模型
• 2.3.2 基于空间相关性的MAC协议设计—SCMAC协议
• 第三章 基于空间相关性的无线传感器网络分簇协议的研究
• 3.1 常见无线传感器网络路由协议介绍
• 3.2 基于分簇的路由协议
• 3.2.1 LEACH协议
• 3.2.2 分簇算法的改进
• 3.3 基于空间相关性分簇协议的设计
• 3.3.1 最优簇广播半径的选择
• 3.3.2 SCCP分簇协议执行流程
• 第四章 SCCP协议的仿真实现
• 4.1 无线传感器网络仿真技术
• 4.1.1 常用网络仿真模拟平台
• 4.1.2 NS-2网络仿真基础
• 4.2 SCCP协议的仿真实现
• 4.2.1 SCCP MAC协议的实现
• 4.2.2 SCCP路由协议的实现
• 4.2.3 重新编译NS-2
• 4.3 试验场景与仿真结果分析
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 硕士期间发表的论文
• 致谢