基于双簇首能量均衡的WSNs层次路由协议研究

摘要

在无线传感器网络中，节点是电池供电，能量有限，而且当能量耗尽时没有外界补充。因此，能量对节点来说是最宝贵的资源，若不合理利用则会影响整个网络的生命周期。路由协议作为无线传感器网络的关键技术，其高效低能耗可以有效的节约整个网络的能量，有效的延长整个网络的生命周期。由于层次路由协议引入了分簇的概念，只需维护较少的路由信息，在一定程度上更适合无线传感器网络。由于网络中节点自身物理特性的不足，为了达到均衡网络能耗和延长整个网络的生命周期的目标，设计出的层次路由协议应当尽可能的简单高效。
　　 本文通过对经典的层次路由协议进行研究与分析，针对其不足之处，设计了一种基于双簇首能量均衡的无线传感器网络层次路由协议，即DCHEB协议(TheHierarchical Routing Protocol Based on Double Cluster Heads and Energy Balance)。本文摒弃了轮循组簇的工作方式，在网络运行阶段，采用分布式的策略进行簇首选举，簇首节点在簇内重构，从而避免其他工作状态良好的簇被迫周期性的重建。由于簇首节点的能量消耗要远大普通节点，可能会出现簇首节点提前死亡的情况，鉴于此，本文引入了双簇首来平衡簇首节点的能量消耗。因为双簇首可以将簇首节点的数据采集和转发数据两项工作平均到主副簇首节点上，从而可以平衡簇首的能量消耗，可以在一定程度上延长整个网络的生命周期。本文还设计了一种新的簇划分方案，通过此方案可以对网络进行合理分簇，使得簇首节点位于合适的位置上，平均了各个簇的节点个数，可以避免簇内的边缘节点过早死亡。在网络初始化阶段，基站根据新的簇划分方案进行合理分簇，采用集中式的簇首选举策略选举出主副簇首节点，并在数据传输阶段采用副簇首节点间的多跳的方式进行传输。在路由搭建阶段采用主簇首簇内路由搭建和副簇首簇间路由搭建的策略，有效的保证了数据实时、高效地传递到基站且消耗较少能量。最后通过仿真工具MATLAB对DCHEB、HEED和EEUC这三种协议分别从生存时间、能量消耗和数据传输量方面进行仿真分析。此外，还做了DCHEB和双簇首协议之间的性能对比。仿真结果表明:DCHEB协议较HEED、EEUC和双簇首协议延长了网络的生存时间，在一定程度上提高了无线传感器网络的性能，从而完成了对无线传感器网络层次路由协议设计的初步目标。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 WSNs概述

1．2 选题背景及研究意义

1．3 研究现状

1．4 论文主要工作

1．5 论文结构安排

第二章 无线传感器网络层次路由协议分析

2．1 无线传感器网络路由协议设计主要需求

2．1．1 能量有效性

2．1．2 可扩展性

2．1．3 数据传输可靠性

2．2 无线传感器网络路由协议的分类

2．2．1 根据路由发现策略分类

2．2．2 根据协议的操作方式分类

2．2．3 根据网络逻辑结构分类

2．3 无线传感器网络层次路由协议的研究与分析

2．3．1 LEACH协议研究

2．3．2 TEEN协议研究

2．3．3 HEED协议研究

2．3．4 EEUC协议研究

2．3．5 双簇首路由协议的研究

2．4 本章小结

第三章 基于双簇首能量均衡的层次路由协议

3．1 协议设计的思想

3．2 DCHEB协议的数据结构和报文设计

3．3 DCHEB协议的通信模型介绍

3．4 DCHEB协议的网络初始化

3．4．1 网络初始化的前提条件

3．4．2 簇的划分方案

3．4．3 主副簇首的选举方案

3．4．4 簇的形成

3．5 簇的稳定阶段

3．5．1 主簇首簇内路由的搭建

3．5．2 副簇首簇问路由的搭建

3．5．3 数据稳定传输阶段

3．6 簇首重构

3．6．1 主簇首节点重构

3．6．2 副簇首节点重构

3．7 本章小结

第四章 DCHEB协议性能的仿真验证

4．1 仿真工具介绍

4．2 仿真的参数配置

4．3 DCHEB与单簇首协议的仿真实验结果及分析

4．3．1 网络生存时间对比情况

4．3．2 网络能耗的对比情况

4．3．3 基站接收数据量对比情况

4．4 DCHEB与双簇首协议的仿真实验结果和分析

4．5 本章小结

第五章 工作总结与未来展望

5．1 总结

5．2 未来的展望

致谢

科研工作及成果

参考文献