无线传感器网络能量均衡的分簇路由算法研究

论文摘要

随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展,无线传感器网络成为当今研究的热门领域,在军事国防、环境科学、医疗监控、家庭应用和各种商业领域有着广泛的应用前景。无线传感器网络的关键技术是节能、路由、拓扑控制、节点定位、数据融合、能量管理、时间同步和安全,尤其是节能问题处于核心地位,是目前的研究热点。在大规模的传感器网络环境中,如何节约节点的能量从而提高网络的存活期,路由协议的设计至关重要。提出合理的路由策略,减少传感器节点的能量消耗并最终延长整个网络的生命周期是本文的研究重点。本文从无线传感器网络的体系结构入手,分析了现有的典型路由算法和节省能耗的策略,对LEACH路由算法进行了详细的研究与探讨。LEACH路由算法提出了分簇的思想;通过数据融合技术,减少了数据的传输量,节省了节点能量;在簇内等概率地逐轮选举簇首,使得节点负荷均衡,延长了整个网络的生命周期。然而LEACH路由算法也存在不足:由于节点传输数据消耗的能量与传输的距离成正比,单跳的通信模式使得远距离节点传输的能量消耗过大,这些节点的能量过早消耗殆尽,缩短了网络的生命周期。本文采用构建簇首骨干网的策略,网内节点根据权值计算,实现多跳通信,有效的节省了节点的能量。对于多跳网络,存在的问题是节点越靠近汇聚节点其能量消耗越快,因为它们在转发自身节点信息的同时,还需要接收来自其他节点的数据并进行转发,这样就导致其能量过早耗尽而失效。本文提出了一个能量均衡的分簇算法,让靠近汇聚节点的簇包含更多的节点,各节点轮流分担任务,延长了网络的生命周期;同时该分簇方法避免了簇的重叠,减少了节点能量的不必要消耗;簇首的选举根据当前簇内节点的能量值来选择,剩余能量最高的作为簇首,既保证了数据的融合和转发,又进一步均衡了节点的能耗。论文通过NS2系统仿真工具搭建了无线传感器网络的仿真平台。在此平台的基础上,对LEACH路由协议及本文提出的改进算法进行了仿真验证。仿真结果指出,本文提出的能量均衡的分簇算法在节省节点能耗、均衡能量、延长网络生命周期、提高传输效率等方面相对原有协议都有相当程度的改善,具有较好的节能特性。最后,论文提出了今后的研究方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 无线传感器网络的发展历程和现状
• 1.1.1 无线传感器网络的发展历程
• 1.1.2 无线传感器网络的发展现状
• 1.2 本文的研究背景和意义
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 无线传感器网络的体系结构
• 2.1 无线传感器网络的概念
• 2.1.1 无线传感器网络的定义
• 2.1.2 无线传感器网络的特点
• 2.1.3 无线传感器网络的应用
• 2.1.4 无线传感器网络的关键技术
• 2.2 无线传感器网络的体系结构
• 2.2.1 节点结构
• 2.2.2 网络结构
• 2.2.3 拓扑结构
• 2.3 网络协议栈
• 2.4 本章小结
• 第3章 无线传感器网络路由协议分析及比较
• 3.1 无线传感器网络路由协议的概述
• 3.1.1 无线传感器网络路由协议的特点
• 3.1.2 无线传感器网络路由协议的分类
• 3.1.3 无线传感器网络路由协议的性能衡量标准
• 3.2 无线传感器网络典型路由协议
• 3.2.1 平面路由协议
• 3.2.2 层次路由协议
• 3.2.3 基于位置的路由协议
• 3.4 无线传感器网络路由协议分析
• 3.4.1 平面与层次路由协议的比较
• 3.4.2 各种路由协议比较
• 3.4.3 路由协议的节能策略
• 3.4.4 路由协议的发展趋势
• 3.5 本章小结
• 第4章 能量均衡的分簇路由算法的研究
• 4.1 问题的提出
• 4.2 能量均衡的路由协议分析
• 4.2.1 单跳网络与多跳网络能耗分析
• 4.2.2 能量均衡分析
• 4.3 能量均衡的分簇路由协议的实现
• 4.3.1 网络模型
• 4.3.2 节点工作方式
• 4.3.3 均衡能量的簇划分
• 4.3.4 簇首的选举
• 4.3.5 簇间多跳通信模式
• 4.3.6 路由机制
• 4.4 本章小结
• 第5章 对协议的仿真与分析
• 5.1 N52 仿真平台的介绍
• 5.1.1 N52 概述
• 5.1.2 N52 仿真体系结构
• 5.1.3 N52 仿真机制
• 5.2 路由协议仿真模型
• 5.2.1 传感器节点模型
• 5.2.3 仿真的参数
• 5.2.3 仿真的运行
• 5.3 性能分析
• 5.3.1 能耗分析
• 5.3.2 传输效率
• 5.3.4 网络寿命
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论
• 6.1 全文工作总结
• 6.2 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录
• 附录B 符号和缩略词说明