无线传感器网络中节能机制的研究

【摘要】： 无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)是由部署在监测区域内大量廉价的传感器节点组成,并通过自组织无线通信方式,协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象信息的智能型网络。传感器节点通常由电池供电,部署后难以二次补充能量,因此如何高效地使用有限能量,降低节点能耗的同时均衡网络中节点间的能量消耗,以延长网络的生命周期,是无线传感器网络面临的重要挑战和协议栈各个层设计的首要目标。 本文着力于研究网络层的节能路由协议,分别从均匀分簇和非均匀分簇两方面提出了两种节能的分簇路由协议——基于剩余能量级别的分簇路由协议RELCRP和基于非均匀环距的分簇路由协议UCBCRP. RELCRP协议的基本思想是采用基于优先级的簇头选取策略使得优先级高剩余能量多的节点更早地广播簇头竞选通告,从而避免剩余能量低的节点成为簇头节点；在簇间通信时采用单跳-多跳混合传输模式,簇头节点根据自身和邻居簇头节点的剩余能量级别切换传输方式,以缓解“热点”问题,从而均衡簇头节点之间的能量消耗。UCBCRP协议的基本思想是将网络划分成间距不相等的圆环并通过一个参数控制不同层次圆环环距的非均匀程度以及圆环中所形成的簇结构大小。距离基站越远的圆环,其环距及簇结构就越大,簇头节点在簇内通信时消耗的能量就越多；距离基站越近的圆环,其环距及簇结构也就越小,从而节省内层簇头节点进行簇内通信所需能耗以用于簇间通信。此外,为了均衡内外层簇头节点之间的能量消耗,该协议还引入了一种能量反馈机制。若簇头节点的剩余能量低于预设的临界能量TE_MIN,那么该簇头节点只负责簇内数据的传输,不承担外层数据的转发任务。 最后,本文还通过仿真工具MATLAB对所提出的两种协议、LEACH协议、EEUC协议进行了仿真,并将其分别与LEACH协议和EEUC协议进行比较,仿真结果表明RELCRP协议和UCBCRP协议有效地均衡了网络中节点的能量消耗,延长了整个网络的生命周期。 【关键词】：无线传感器网络 能量均衡 剩余能量级别 混合传输模式 非均匀分簇
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TN929.5;TP212.9
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 1 绪论8-14
• 1.1 选题背景及意义8
• 1.2 无线传感器网络简介8-12
• 1.2.1 无线传感器网络体系结构8-10
• 1.2.2 无线传感器网络的特点10-11
• 1.2.3 无线传感器网络的关键技术11-12
• 1.3 本文的主要研究工作12-13
• 1.4 本文的组织结构13-14
• 2 无线传感器网络中的节能机制14-23
• 2.1 无线传感器网络的能耗分析14-15
• 2.2 协议栈各层的节能机制15-20
• 2.2.1 物理层节能策略15-16
• 2.2.2 数据链路层节能策略16-18
• 2.2.3 网络层节能策略18-20
• 2.3 跨层节能机制20-22
• 2.4 本章小结22-23
• 3 基于剩余能量级别的分簇路由协议23-35
• 3.1 问题的提出23
• 3.2 算法思想23-26
• 3.2.1 剩余能量级别REL23-24
• 3.2.2 基于优先级的簇头选取策略24
• 3.2.3 单跳/多跳相结合的通信方式24-26
• 3.3 系统模型26-27
• 3.3.1 网络模型26
• 3.3.2 能量模型26-27
• 3.4 算法描述27-32
• 3.4.1 网络初始化28
• 3.4.2 簇头选取阶段28-30
• 3.4.3 簇的建立30
• 3.4.4 数据传输30-32
• 3.5 能耗分析32-34
• 3.6 本章小结34-35
• 4 基于非均匀环的分簇路由协议35-45
• 4.1 问题的提出35-36
• 4.2 设计思想36
• 4.2.1 非均匀分簇机制36
• 4.2.2 能量反馈机制36
• 4.3 基于非均匀环距的网络拓扑结构36-37
• 4.4 算法执行步骤37-43
• 4.4.1 网络初始化37-38
• 4.4.2 簇头的选取38-40
• 4.4.3 簇的建立40-41
• 4.4.4 数据传输41-43
• 4.5 性能分析43
• 4.6 本章小结43-45
• 5 仿真实验45-58
• 5.1 RELCRP协议的仿真45-50
• 5.1.1 仿真场景的建立45-46
• 5.1.2 仿真结果及分析46-50
• 5.2 基于非均匀环距的分簇路由协议的仿真50-57
• 5.2.1 仿真场景的建立51
• 5.2.2 仿真结果及分析51-57
• 5.3 本章小结57-58
• 结论58-60
• 参考文献60-63
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况63-64
• 致谢64-66

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