无线传感器网络分簇节能路由协议的研究

【摘要】：无线传感器网络作为一种全新的采集数据和处理数据的一种手段,越来越多的应用于无论是军事领域还是民用领域,如被广泛地应用于国防军事、环境监测、医疗卫生、智能家居等方面。由于传感器节点能量非常有限,而又由于环境条件的受限不能再次补充能量,因此,在设计无线传感器路由协议时,考虑网络中节点的能量有效性和负载均衡性,具有重要的理论和实际意义。 本文首先对无线传感器网络的基本知识做了简要的介绍,包括其定义、特点、体系结构、节能策略等。研究分析了路由协议分类中的平面路由协议和分簇路由协议,其中分簇路由协议具有简单高效,层次分明,能量利用高效、数据融合等优点,LEACH协议是其中的典型代表。在分析比较了各种路由协议优缺点的基础上,选择分簇路由协议LEACH作为研究对象,借鉴其优秀的分簇算法,在更结合实际的异构节点的网络环境下对其本身的缺点做了改进,提出了LEACH-HA路由协议。 首先,在无线传感器网络存在异构节点的情况下,通过计算能量消耗情况,推导出了最优簇首数,即在此数目下,网络中能量消耗情况最少。在簇首选择上综合考虑了节点的位置和能量,使簇首的选择更加合理。在近似的情景下,可认为网络中同等面积的区域内含有相同数目的传感器节点,估算每个簇的成簇半径,理论上得出每个簇所含的成员数。对簇首的位置进行判断,当得到处于网络边缘或簇首间位置很接近时,为了能量的更均衡性,则取消该簇,少量的成员节点就近加入邻近簇。 此外,在临时簇首节点初步确定后,当成员节点同时被几个簇首所覆盖时,根据簇首的能量大小和距离簇首的远近选择加入某个簇,这样就进一步提高了网络的均衡性。在稳定数据传输阶段,簇内通信采用的单跳方式,各个簇成员将采集的数据传到所在的簇首节点,簇首节点经数据融合后传到离基站更近的下一个簇首。簇间采用单跳和多跳传输相结合的方式,簇首依次将数据融合后传到下一簇首,再经数据融合后在往下传,当找不到合适的下一跳簇首时将直接将数据传到基站。 选择MATLAB仿真工具对新协议进行仿真。分析实验结果并与LEACH进行比较,表明该分簇算法提高了节点的能量使用效率和网络负载的均衡性,在很大程度上提高了网络的生存周期。 【关键词】：无线传感器网络 LEACH协议 LEACH-HA协议 均衡性 网络生存周期
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TP212.9;TN915.04
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-14
• 1.1 论文研究背景及意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-13
• 1.3 论文结构及研究内容13-14
• 第二章 无线传感器网络综述14-24
• 2.1 无线传感器网络的定义和特点14-16
• 2.2 无线传感器网络的体系结构16-17
• 2.3 协议栈体系17-19
• 2.4 无线传感器网络的设计要求及指标19-20
• 2.5 无线传感器网络的节能策略20-22
• 2.6 数据融合技术22-23
• 2.6.1 路由方式与数据融合22-23
• 2.7 本章小结23-24
• 第三章 典型的路由协议分析与比较24-36
• 3.1 无线传感器网络路由协议的分类24-25
• 3.2 平面路由协议25-28
• 3.2.1 FLOODING 与GOSSIPING 协议25-26
• 3.2.2 SPIN 协议26-27
• 3.2.3 定向扩散路由协议27-28
• 3.3 分层路由协议28-33
• 3.3.1 LEACH 协议29-31
• 3.3.2 PEGASIS 协议31-32
• 3.3.3 TEEN 协议32-33
• 3.4 基于位置信息的路由协议33-34
• 3.5 以上路由协议总结34-35
• 3.6 本章小结35-36
• 第四章 改进的分簇节能路由协议(LEACH-HA)36-48
• 4.1 能耗模型36-37
• 4.2 网络模型37-39
• 4.2.1 最佳簇首数的确定37-39
• 4.3 LEACH 协议的改进39-44
• 4.4 系统整体框图及描述44-46
• 4.5 网络能量消耗计算统计46-47
• 4.6 本章小结47-48
• 第五章 系统仿真与结果分析48-54
• 5.1 仿真场景的建立48-49
• 5.2 主要仿真参数的说明49
• 5.3 仿真分析49-53
• 5.4 本章小结53-54
• 第六章 全文总结与展望54-56
• 6.1 全文总结54-55
• 6.2 工作展望55-56
• 参考文献56-61
• 导师与作者简介61-62
• 致谢62

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