基于分簇结构的无线传感器网络节能路由协议研究

摘要

典型的无线传感器网络（WSN）是由许多微型廉价低功耗的传感器节点采用自组织的方式形成的专用网络，常被部署于指定的区域用于感知和采集各种监测对象的信息，并采用多跳通信方式将信息提供给终端用户，是连接人类社会和物理世界的信息纽带。WSN与传统的无线网络不同，WSN中的节点带宽、内存等资源更为匮乏，尤其是其有限的能量资源直接影响到传感器网络的生命周期以及网络的信息质量。由于传感器节点的能量通常很难得到补充，因此，在节点能量有限的前提下，讨论如何提高有限能量的利用率，以延长网络的生命周期，是当前该领域研究的热点问题。传感器节点绝大部分的能量都用于数据的无线传输，因此采用高能效的路由协议有助于减少节点的能耗，从而延长网络生存期。通过对现有的路由协议系统学习和总结，发现基于分簇结构的路由协议在网络扩展性、高效节能性等方面具有明显优势，本文围绕这一课题针对不同类型的WSN构建分簇结构的路由协议。论文主要内容及创新性成果包含：
　　①针对传统同构的WSN，研究如何构建单跳分簇路由协议，提出了一种混合的基于博弈理论的分布式分簇路由协议（HGTD）。在传统 WSN单跳分簇路由协议中，簇头节点采用单跳通信的方式将数据传输至较远的基站，能耗速率很快，如何选择最优的簇头节点以均衡节点间的能耗并延长网络生存期是一个研究重点。本协议中引入博弈理论用于解决单跳分簇路由中的簇头节点选择问题，节点被建模为博弈参与者，通过与其邻近区域的节点博弈得到自己成为簇头的均衡概率。在分簇博弈模型中特别定义了节点选择不同策略时的收益，并考虑到节点度以及节点到基站的距离，使得节点在根据均衡概率决定是否成为簇头时能够在最小化能量开销和提供必须的网络服务之间保持均衡。此外，设计了一种迭代算法从潜在的簇头节点中选出最终的簇头节点，可均衡节点间的能耗并且避免相邻的节点同时被选为簇头。仿真结果表明本协议能够明显改善网络生存期。
　　②由于外界因素的影响，传感器节点被部署于监测区域一段时间后通常能量异构。本文针对能量异构WSN，研究如何构建多跳分簇路由协议，提出了一种基于非均匀簇结构的路由协议（UCR-H）。在多跳分簇路由协议中，网络中的所有簇头节点共同合作将数据以多跳通信方式传输至基站，因此离基站越近的簇头节点担负的簇间数据转发任务越重，这会导致能量空洞问题的发生。为了避免在能量异构网络中采用多跳分簇路由协议时出现能量空洞问题，本协议中将网络所在监测区域划分为若干等尺寸的矩形单元。首先通过均衡不同单元间簇头节点的能耗，计算得到各单元中的簇头数目；然后通过最小化网络中簇间数据转发的总能耗，得到最优的单元数；最后根据节点的能量等级以及节点所在单元的簇头数目，为各单元中不同能量等级的节点设计了当选为簇头时对应的簇半径，此外还得到了一轮次阈值避免对能量等级高的节点的过度惩罚。仿真结果表明UCR-H协议能够有效减轻网络中的能量空洞问题，并且明显改善了网络生存期。
　　③近来，在一些WSN应用中传感器节点配备有能量获取装置，但从环境中获取能量的能力很有限。本文针对能量获取WSN，研究如何构建多跳分簇路由协议，提出了一种多跳的能量中性分簇路由协议（MENC）。设计本协议的主要目的是实现对节点从环境中获取的能量的有效利用，以获得无限长的网络生存期。通过结合节点的能耗情况以及能量状态，给出了节点的能量中性约束，在此约束下节点可工作在能量中性状态下，从而可维持网络的永久运行，避免网络失效。此外，在确保节点工作在能量中性状态的前提下，通过凸优化的方法得出最小的网络数据传输周期，使得基站成功接收到的数据量达到最大值。仿真结果表明MENC协议能够获得无限长的网络生存期，确保网络中节点持续的数据采集与传输，并且网络吞吐量得到明显提高。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 WSN路由协议研究现状

1.3 论文研究动机及内容

1.4 论文结构安排

2 WSN分簇路由协议研究

2.1 引言

2.2 WSN分簇路由协议的实现

2.3 WSN分簇路由协议的优点

2.4 WSN分簇路由协议的分类

2.5 典型WSN分簇路由协议分析及对比

2.6 本章小结

3 基于博弈理论的WSN分簇路由协议研究

3.1 引言

3.2 相关研究工作

3.3 系统模型

3.4 理论分析

3.5 HGTD协议设计与分析

3.6 性能验证与仿真实验

3.7 本章小结

4 能量异构WSN多跳分簇路由协议研究

4.1 引言

4.2 相关研究工作

4.3 系统模型

4.4 理论分析

4.5 UCR-H协议设计

4.6 性能验证与仿真实验

4.7 本章小结

5 能量获取WSN多跳分簇路由协议研究

5.1 引言

5.2 相关研究工作

5.3 系统模型和问题描述

5.4 理论分析

5.5 MENC协议设计

5.6 性能验证与仿真实验

5.7 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 后续研究工作展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录：

B. 作者在攻读博士学位期间参与的科研项目目录：