基于能量控制的无线传感器网络分层路由技术研究

论文摘要

随着通信技术、嵌入式技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟,无线传感器网络逐渐引起了人们的极大关注。无线传感器网络中各传感器节点间通过单跳或者多跳转发机制进行数据通信,每个节点都需要具备路由器的功能,除了执行自己的应用任务（如感知和传输数据）,还要参与路由的发现、维护以及网络组织结构的构建。因此,路由技术是无线传感器网络中的关键技术。由于传感器网络本身能源受限的特点,路由设计的重点目标就集中在怎样均衡节点能耗、降低节点能耗以及提高网络的整体生命周期上。相比平面路由,层次路由算法更有优势。本文首先对LEACH和LEACH-C算法进行了仿真研究。其中,LEACH-C是一种集中式的分簇路由算法,在基站处可以对全网各个节点的地理位置和能量进行监控,而LEACH是一种分布式的分簇路由算法,无法通过基站对全网信息进行监控。仿真结果表明,LEACH-C比LEACH更有效。由于常见的层次路由算法都是基于LEACH算法中簇首的产生和分簇的形成,很少有针对LEACH-C中数据传输过程节点能量的控制操作,本文在LEACH-C分簇算法的基础上,加入了对节点能量的监控,并通过选择临时簇首节点以及在分簇内寻找中间转发节点来均衡传感器网络中各节点的能耗和负担,即分簇内成员节点与簇首节点之间的通信采用多跳的通信方式来实现,以达到提高网络生命周期的目的。本文详细描述了算法,并给出了相应的算法流程图,同时还对算法进行了多种情况下的仿真实验和结果分析。结果表明,通过对节点能量进行控制,网络的生存周期得到了延长。无线传感器网络最大的特点之一是以数据为中心。LEACH-C算法中,传感器节点是按固定的时间周期向基站发送采集到的数据。这种采集方式在需要连续发送数据的环境比如环境检测中比较适用,但在某些情况下只需要对网络覆盖区域进行少量单次的数据查询。由于LEACH-C算法是属于集中式的算法,可以利用基站处的网络的全局信息对查询请求命令快速响应。本文在LEACH-C算法形成的分簇结构的基础之上,提出了相应的基于分簇结构的数据查询方案,并将此方案应用到LEACH-C和本文中提出的分簇路由算法中分别进行了仿真。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 背景及研究意义
• 1.2 无线传感器网络结构和特点
• 1.2.1 无线传感器网络结构
• 1.2.2 传感器节点结构
• 1.2.3 传感器网络协议栈
• 1.2.4 传感器网络的特点
• 1.3 无线传感器网络的应用
• 1.4 无线传感器网络的研究现状
• 1.4.1 国外研究背景
• 1.4.2 国内研究现状
• 1.5 本文的工作安排
• 第二章 无线传感器网络中的分簇路由算法
• 2.1 无线传感器网络中的路由技术
• 2.1.1 路由协议概述
• 2.1.2 无线传感器网络中的路由协议
• 2.1.2.1 平面路由协议
• 2.1.2.2 层次路由协议
• 2.1.2.3 平面路由协议与层次路由协议比较
• 2.2 无线传感器网络的分层结构
• 2.2.1 无线自组织网络的分层结构
• 2.2.2 无线传感器网络的分簇拓扑结构
• 2.2.3 基于分簇的网络管理
• 2.3 无线传感器网络中典型的分簇路由算法
• 2.3.1 LEACH 协议体系
• 2.3.2 PEGASIS （power-efficient gathering in sensor information system）
• 2.3.3 TEEN （threshold sensitive energy efficient sensor network protocol）
• 2.3.4 APTEEN（adaptive periodic threshold sensitive energy efficient sensor network protocol）
• 2.3.5 ECMR（energy-conscious message routing）
• 2.3.6 其它分层路由协议
• 2.4 无线传感器网络中分簇路由算法的设计
• 2.5 小结
• 第三章 LEACH 和LEACH-C 的仿真研究
• 3.1 仿真模型
• 3.1.1 无线信道模型
• 3.1.2 能量模型
• 3.2 LEACH 和LEACH-C 在N52 系统下的仿真
• 3.2.1 工作原理和算法过程
• 3.2.2 仿真结果分析
• 3.3 小结
• 第四章 基于传感器节点能量控制的分簇路由算法的研究
• 4.1 基于传感器节点能量控制的分簇路由算法
• 4.1.1 改进思想
• 4.1.2 算法流程
• 4.1.3 算法具体描述
• 4.1.3.1 对簇首节点的能量控制
• 4.1.3.2 对簇内成员节点的能量控制
• 4.2 仿真结果及分析
• 4.2.1 仿真网络模型
• 4.2.2 仿真实验建立阶段
• 4.2.3 仿真结果分析
• 4.3 小结
• 第五章 基于分簇结构的无线传感器网络中的数据查询
• 5.1 无线传感器网络中的数据查询
• 5.2 基于分簇结构的数据查询方案
• 5.3 仿真结果分析
• 5.4 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果