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分簇无线传感网能量空洞避免策略研究

2020-12-12阅读(396)

分簇无线传感网能量空洞避免策略研究

论文摘要

无线传感器网络是当前国际上备受关注的、多学科交叉的热门研究领域，作为一种全新的信息获取、处理和传输技术，无线传感器网络的主要功能是协作的感知、采集和处理网络监测区域的信息，并将信息发送给观察者。随着计算机技术、无线通信、微系统技术和集成电路的不断发展，无线传感器网络的应用越来越广泛。无线传感器网络资源严格受限的特点，使得设计能量高效的路由协议成为无线传感器网络当前面临的主要挑战之一。首先对无线传感器网络的基本概念和几种经典的分簇路由协议作了详细介绍，讨论了各自的优缺点。接着对分簇无线传感器网络中的能量空洞问题进行了较为深入的研究，该问题的主要表现是靠近Sink的节点因为转发大量的数据，过早的耗尽能量，导致网络分割。为了解决能量空洞问题，提出了两种新颖的路由协议，一种是基于优化簇半径的无线传感器网络非均匀分簇路由协议（UnevenClustering based on the Optimal cluster Radius, UCOR），另一种是基于非均匀中继节点选取的能量均衡路由协议（Energy Balance Routing in WSN with NonuniformRelay Node Selection,EBR）。UCOR协议的基本策略是采取非均匀成簇机制在网络中生成不等规模的簇，使靠近Sink区域的簇规模小于远离Sink节点的簇规模，从而减少靠近Sink的簇头处理簇内数据的能耗，以便为簇间的转发储备能量。相比其他非均匀分簇路由协议，UCOR协议通过优化的候选簇头竞争半径公式在网络中生成规模大小不等的簇，该公式引入了最优簇半径及相关参数以控制簇的非均匀程度。仿真实验结果表明，与其他的路由协议相比，UCOR协议均衡了节点能耗，避免了能量空洞，显著地延长了网络生命。EBR协议将网络内的节点分为监测节点和中继节点两类，并参考最优簇半径对网络进行合理分层，在所需监测节点数目已知且均匀分布的情况下，通过理论推导得到各层为达到节点能耗均衡所需的中继节点数目，从而得到各层所需的总节点数，并依层均匀部署节点，形成了从内层至外层节点密度依次减少的非均匀节点分布，使Sink区域的节点能承受更多的网络流量。详细的实验结果表明，EBR协议既保持了监测节点均匀分布的优势，又能有效解决能量空洞问题、平衡节点之间的能耗，并显著延长网络生命周期。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 目录
  • 第1章 绪论
  • 1.1 课题来源
  • 1.2 研究的背景及意义
  • 1.3 无线传感器网络概述
  • 1.3.1 网络结构
  • 1.3.2 传感器节点结构
  • 1.3.3 协议体系结构
  • 1.3.4 应用前景
  • 1.4 研究热点
  • 1.5 主要工作及文章结构
  • 第2章 无线传感器网络分簇路由协议
  • 2.1 路由协议概述
  • 2.1.1 路由协议特点
  • 2.1.2 路由协议评价标准
  • 2.1.3 路由协议分类
  • 2.1.4 分簇路由协议研究现状
  • 2.2 经典的分簇路由协议
  • 2.2.1 LEACH 协议
  • 2.2.2 TEEN 协议
  • 2.2.3 PEGASIS 协议
  • 2.3 本章小结
  • 第3章 能量空洞理论及避免策略
  • 3.1 能量空洞理论
  • 3.2 能量空洞避免策略相关工作
  • 3.3 非均匀分簇技术
  • 3.3.1 UCS 协议
  • 3.3.2 EEUC 协议
  • 3.4 非均匀节点部署方案
  • 3.4.1 节点数依等比数部署的方案
  • 3.4.2 非均匀部署 WSN 的能量空洞避免策略
  • 3.4.3 节点数依密度函数部署的方案
  • 3.5 本章小结
  • 第4章 基于优化簇半径的WSN非均匀分簇路由
  • 4.1 问题的提出
  • 4.2 UCOR 协议的基本思想
  • 4.3 网络模型与能耗模型
  • 4.3.1 网络模型
  • 4.3.2 能耗模型
  • 4.4 UCOR 协议描述
  • 4.4.1 候选簇头竞争半径
  • 4.4.2 网络初始化及簇头选举机制
  • 4.4.3 数据通信及路由机制
  • 4.5 模拟分析
  • 4.5.1 相关参数
  • 4.5.2 实验分析
  • 4.6 本章小结
  • 第5章 基于非均匀中继节点选取的能量均衡路由
  • 5.1 问题的提出
  • 5.2 EBR 协议基本思想
  • 5.3 最优簇半径与网络模型
  • 5.3.1 最优簇半径
  • 5.3.2 网络模型
  • 5.4 节点能耗与中继节点个数分析
  • 5.4.1 监测节点平均能耗
  • 5.4.2 中继节点能耗及个数分析
  • 5.5 EBR 协议描述
  • 5.5.1 节点的非均匀部署
  • 5.5.2 簇头的选举与簇内通信
  • 5.5.3 中继节点的选举与通信
  • 5.6 模拟分析
  • 5.6.1 相关参数
  • 5.6.2 不同层宽的性能分析
  • 5.6.3 不同部署方案性能分析
  • 5.7 UCOR 协议与 EBR 协议比较
  • 5.7.1 实验场景参数介绍
  • 5.7.2 实验结果分析
  • 5.8 本章小结
  • 第6章 总结与展望
  • 6.1 总结
  • 6.2 未来工作及展望
  • 参考文献
  • 攻读硕士学位期间参与课题情况
  • 攻读硕士学位期间发表论文情况
  • 致谢

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