基于分簇的无线传感器网络节能路由协议研究

【摘要】：无线传感器网络(Wireless Sensor Network)即由部署在监测区域内的大量传感器节点利用自组织能力构建而成的通信网络。随着信息社会的发展,数据的获取能力在相关领域中的作用愈加明显,而适应能力强、结构部署简单的无线传感器网络为此提供了极大的便利。然而,对能量等资源有限的传感器网络而言,其内部能量的消耗主要源于节点的数据路由,同时其应用环境通常又决定着不能人为及时更换网络中因能量耗尽而失效的传感器节点。因此,研究高效节能的路由算法对于延长网络生命周期并进而提升网络可用性具有重要的意义。 本文首先介绍了无线传感器网络基本概念及特点,简要说明了无线传感器网络研究现状及相关方面的挑战。接着对无线传感器网络现有的路由协议进行了分类并对各类型的典型协议运行机制进行了剖析,指出了网络路由协议在设计中应注意到的问题。然后在经典层次式路由协议LEACH的基础上,重点从簇头选举、簇头分布、簇间多跳以及簇内通信维持四个方面进行了研究。其主要工作如下： 第一,阐述了LEACH协议的工作机制及其簇头产生的不确定性。通过在阈值公式中引入能量和距离两参数,增加了剩余能量较多的节点充当簇头节点的机率,从而有利于均衡网络各节点的能耗。 第二,利用节点能耗模型分析了网络最佳簇头个数及簇头密集分布情况下对节点能耗的不利影响。提出由高能量的基站控制选举最佳簇头个数,并通过簇间最短距离迭代的方法优化簇头在网络中的位置分布。 第三,通过公式推导分析了LEACH单跳通信机制的不足,进而为簇头引入了相对节能系数,使得簇头在数据传输过程中可以根据包含有相对节能系数信息的路由转发表选择合适的下一跳簇头,从而以数据多跳传输方式达到节约能量开销的目的。 第四,针对传统LEACH协议全局网络周期性成簇的特点,提出在数据稳定通信末期,由簇头节点根据本簇内成员节点能量剩余情况直接指定后继簇头,以此减少全局网络节点竞争选举过程中大规模的传输计算开销。 本文在研究中使用NS2进行仿真分析,其结果表明改进后的路由算法在节约网络能耗、延长网络生命周期方面优于LEACH协议。最后,总结了本文的主要工作,并明确了下一步的研究方向。 【关键词】：无线传感器网络 路由协议 LEACH 节能分簇 簇间多跳
【学位授予单位】：华中师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP212.9;TN929.5
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 目录8-10
• 第一章 绪论10-15
• 1.1 无线传感器网络研究目的与意义10-11
• 1.2 无线传感器网络概念及特点11-13
• 1.3 无线传感器研究领域及挑战13-14
• 1.4 本文内容结构及安排14-15
• 第二章 无线传感器网络路由协议分析15-25
• 2.1 无线传感器网络路由概述15-16
• 2.2 无线传感器网络路由协议分类16-22
• 2.2.1 平面路由协议16-20
• 2.2.2 分层路由协议20-22
• 2.3 无线传感器网络路由设计要求22-23
• 2.4 本章小结23-25
• 第三章 LEACH协议簇头决策机制的研究与改进25-39
• 3.1 节点能耗模型25-26
• 3.2 LEACH算法分析26-28
• 3.2.1 分簇形成26-27
• 3.2.2 簇内通信27-28
• 3.3 基于BTCM算法的簇头决策改进机制28-34
• 3.3.1 簇头选举29-31
• 3.3.2 簇头分布31-34
• 3.4 仿真分析34-38
• 3.4.1 NS2仿真工具简介34
• 3.4.2 仿真结果及分析34-38
• 3.5 本章小结38-39
• 第四章 LEACH协议簇间数据路由的研究与改进39-49
• 4.1 簇头数据通信的研究39
• 4.2 基于BTCM-MP算法的数据通信路由改进39-46
• 4.2.1 簇间多跳39-44
• 4.2.2 簇内通信维持44-46
• 4.3 仿真分析46-48
• 4.4 本章小结48-49
• 第五章 总结与展望49-51
• 5.1 总结49
• 5.2 展望49-51
• 参考文献51-55
• 在校期间发表的论文55-56
• 致谢56

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