无线传感器网络分簇路由算法研究

论文摘要

随着传感器技术、微机电系统、现代网络和无线通信等技术的进步,无线传感器网络孕育而生。经过近几年的研究和发展,无线传感器网络已经在环境监测、医疗监护、城市交通管理、仓储管理、军事侦察等领域初显成效。随着研究的深入,其网络层的分簇路由算法成为近年来研究的热点。本文对目前提出的各种无线传感器网络分簇路由算法进行了详细阐述,并分析了其研究现状和不足。在此基础上,本文总结传感器网络分簇路由算法的特点,以节约网络能量和延长网络生命周期为目的,提出一个基于不等规模分簇的节能路由算法（USCR）。USCR在分簇过程中采用限制成簇范围的方法,在靠近Sink点的区域形成更多簇结构来分担对过路数据的转发任务,从而缓解了在以往多跳分簇路由算法中,由于无线传感器网络多对一的传输模式而导致的区域间能量消耗不平衡的问题。USCR算法在实现不等规模分簇的同时维护簇间跳数来指导数据的路由选择。算法在簇间跳数小的邻居簇中选择簇头剩余能量大的成为下跳簇,并根据节点间距离和节点剩余能量选择转发代价小且能量状况好的下跳节点转发数据。通过减少数据转发跳数和选择合适的转发节点,USCR算法有效地节省了网络能量、平衡了节点间负载、延长了网络生命周期。在无线传感器网络的路由算法中,满足以数据为中心要求的数据融合过程往往要引入大量的数据等待时间,算法在对数据进行融合处理和为实时数据提供QoS保障之间存在一定矛盾。本文分析USCR算法路由结构的特点,在此基础上设计一个兼顾数据融合和实时数据服务质量的路由算法。算法依据USCR成簇结构的特殊性,提出对数据的最大传输延迟进行估计的方法,并依据此估计值为具有不同服务要求的数据进行不同的路由选择。此算法继承了USCR算法的节能优势,同时为实时和非实时两种业务提供服务,选择既能满足数据的QoS要求,又能尽量对数据进行融合处理的路径转发数据。最后,本文使用OMNET++仿真器对提出的两个分簇路由算法进行仿真实验,并对实验结果进行详细地研究和分析,验证了USCR算法在节约网络能量和延长网络生命周期方面的优势以及QoS路由算法的可行性和有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 课题的研究意义
• 1.3 研究工作及论文的主要内容
• 第2章 无线传感器网络概述
• 2.1 无线传感器网络概念
• 2.2 无线传感器网络体系结构
• 2.2.1 无线传感器网络结构
• 2.2.2 无线传感器节点结构
• 2.3 无线传感器网络通信协议理论
• 2.4 无线传感器网络的特点和挑战
• 2.5 无线传感器网络的性能评价
• 第3章 无线传感器网络分簇路由算法
• 3.1 分簇路由算法概述
• 3.2 分簇算法研究
• 3.2.1 分簇算法基本目标及其性能评价
• 3.2.2 分簇算法举例
• 3.3 基于分簇结构的路由算法研究
• 3.3.1 分簇路由算法的特点
• 3.3.2 单跳分簇路由算法
• 3.3.3 多跳分簇路由算法
• 3.4 分簇路由算法分析和总结
• 第4章 USCR算法
• 4.1 USCR算法的设计思想
• 4.2 USCR算法的物理基础
• 4.2.1 无线能量模型
• 4.2.2 无线通信模型
• 4.2.3 无线传感器网络设置
• 4.3 USCR算法详述
• 4.3.1 簇结构的形成和簇间跳数的维护
• 4.3.2 路由算法设计
• 4.3.3 能量更新和簇结构更新
• 4.4 USCR算法分析
• 4.4.1 消息复杂度分析
• 4.4.2 簇结构合理性分析
• 第5章 基于USCR的QoS路由算法
• 5.1 QoS路由算法的提出
• 5.2 USCR中数据传输延迟估计
• 5.3 QoS路由算法设计
• 5.3.1 非实时数据路由
• 5.3.2 实时数据路由
• 5.4 QoS路由算法分析
• 第6章 仿真实验
• 6.1 仿真工具OMNET++简介
• 6.2 仿真协议栈设计
• 6.3 USCR算法仿真实现
• 6.3.1 USCR分簇算法仿真
• 6.3.2 USCR路由算法仿真
• 6.4 USCR算法仿真结果分析
• 6.4.1 仿真场景和参数设置
• 6.4.2 仿真结果分析
• 6.5 QoS路由算法仿真实现
• 6.5.1 延迟参数设置和延迟估计
• 6.5.2 QoS路由算法实现
• 6.6 QoS路由算法仿真结果分析
• 第7章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 攻读学位期间参与工作
• 学位论文评阅及答辩情况表