基于无线传感器网络的节能路由算法研究

【摘要】：随着无线通信技术、低功耗传感器技术以及嵌入式系统技术的迅速发展,无线传感器网络作为一种全方位的信息采集和处理技术正逐渐改变我们的生活。无线传感器网络是一种多跳、自组织的传感器无线通信网络,网络中每个节点都可以转发数据,能够相互通信。无线传感器网络节点用来检测和感知环境中的各种信息,其通常由四个部分组成,分别是感知模块、处理器模块、无线通信模块、电源管理模块。 无线传感器网络发展的最大问题就是能量有限,节约能量可以从信息采集处理、数据传输这两个方面进行。目前集成电路已经达到22纳米制成,信息采集处理功耗可以改进的比较小,而路由协议还有很大的研究空间。传统路由算法主要基于距离矢量或者链路状态以求节点间时延最小,没有考虑能量消耗的问题。平面路由协议中缺乏对通信资源的优化管理,自组织协同算法复杂,路由跳数多,对网络拓扑变化反应慢,已经不能够适应大规模无线传感器网络的发展。分层路由协议通过用簇首汇集和融合数据来减小网络中传输的数据量,很好的解决了这些问题。在无线传感器网络中LEACH是典型的分层路由协议,在LEACH协议的基础上有很多改进版本比如LEACH-C协议,PEGSIS协议,TEEN协议。 本文介绍了无线传感器网络的研究背景、研究现状,系统的论述了无线传感器网络的节点结构、网络体系架构、网络特点以及决定无线传感器网络路由协议性能的关键技术,并且对现有的多种典型路由协议进行了分析比较。针对LEACH协议存在的簇首分布不均匀、簇首选择轮换机制不合理、簇首单跳与基站通信等问题,提出了LEACH协议的改进算法LEACH-DT (LEACH-Dynamic threshold)。 LEACH-DT算法利用基站能量充足的特点,由基站根据节点的能量和节点密度计算最优簇首个数,选择簇首节点全网下发。当簇首的能量小于能量阈值时进行簇首节点轮换,候选簇首根据节点能量和节点位置进行选择。本算法簇首与基站之间采用多跳通信,通过采用Dijkstra算法构建簇首之间到基站的最短路径树,簇首的数据利用最短路径树多跳传输到基站,有效地降低了网络能耗,保证了网络负载平衡。经过仿真实验证明,改进的LEACH-DT算法均衡了网络中各个节点能量的消耗,降低了节点的平均能量消耗,推迟了网络中第一个节点的死亡的时间,延长了网络的生命时间,提高了网络吞吐量。 【关键词】：无线传感器网络 LEACH协议 能量阈值 多跳
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP212.9;TN929.5
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-11
• 1 引言11-16
• 1.1 研究背景11-12
• 1.2 国内外研究现状12-13
• 1.3 本文的研究意义13-15
• 1.4 论文的组织结构15-16
• 2 无线传感器网络概述16-26
• 2.1 无线传感器网络体系结构16-19
• 2.1.1 传感器节点的结构16-17
• 2.1.2 传感器网络体系结构17-19
• 2.2 无线传感器网络的特点19-21
• 2.2.1 无线传感器网络与无线自组网的区别19-20
• 2.2.2 无线传感器网络的特点20-21
• 2.3 无线传感器网络的应用21-22
• 2.4 无线传感器网络的关键技术22-26
• 3 无线传感器网络路由协议研究26-38
• 3.1 路由协议分类26-28
• 3.2 平面路由协议28-32
• 3.2.1 Flooding协议和Gossiping协议28-30
• 3.2.2 SPIN协议30-31
• 3.2.3 DD(Directed Diffusion)31-32
• 3.3 分层路由协议32-36
• 3.3.1 LEACH协议和LEACH-C协议32-33
• 3.3.2 PEGSIS协议33-34
• 3.3.3 TEEN协议34-35
• 3.3.4 UCR协议35-36
• 3.4 路由协议性能对比36-38
• 4 基于LEACH协议的算法改进38-54
• 4.1 无线传感器网络节点能耗模型38-39
• 4.2 LEACH协议研究39-42
• 4.2.1 LEACH协议介绍39-41
• 4.2.2 LEACH的优点和缺点41-42
• 4.3 LEACH协议改进的思路42-43
• 4.4 改进的LEACH协议详细设计43-47
• 4.4.1 簇首选择43-44
• 4.4.2 簇首转让44-45
• 4.4.3 簇间通信45
• 4.4.4 数据融合45-46
• 4.4.5 基于LEACH的改进算法LEACH-DT46-47
• 4.5 算法仿真及分析47-54
• 4.5.1 仿真环境设置47-48
• 4.5.2 仿真结果分析48-54
• 5 结论54-56
• 参考文献56-58
• 作者简历58-60
• 学位论文数据集#@@

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