WSN中基于能量均衡的路由算法研究

摘要

无线传感器网络技术是现代技术研究的热点方向之一，有着重大的应用前景和科学研究意义。但是无线传感器网络中的节点往往带宽和能量有限、计算和存储能力较弱，传统无线路由协议不能满足无线传感器网络的需求。所以设计高效节能的路由协议在无线传感器网络中有着重要的研究意义。
　　 LEACH协议是经典的分簇路由算法，在研究无线传感器网络的路由算法中具有非常重要的地位。LEACH协议中的每个节点采用等概率方式担当簇首，用于均衡整个网络节点能耗，延长了网络生命周期。但是LEACH协议也有着分簇时簇头负载不均衡以及簇头与基站的距离不同导致单跳传输中能耗不均衡的问题。
　　 遗传算法的全局搜索能量很强，适用于对簇头选择要求很高的路由算法。其对相关领域知识的依赖程度较低，通用性很强并且适用于连续和非连续的空间。遗传算法很适合选出均衡全网能耗的簇头组，以此来解决簇头负载不均的问题。对于簇头与基站的通讯可以使用多跳传输来优化，在耗能方面进行均衡处理，因此，本文提出基于能量均衡的路由算法LEACH-GEB，在簇头选择和簇间路由方面对节点的负载进行了优化，其效好的节能性和负载均衡性使得节点的寿命和网络的生命周期得到延长，在无线传感器网络中有着较好的应用。
　　 本文算法先根据节点耗能估算出最优簇头数，然后与遗传算法相结合，利用遗传算法对簇头选择进行优化，通过确定适应函数并对其下一代进行选择、交叉、变异操作，经过不断的循环迭代选出节点剩余能量较多，通信代价较小并且分簇均匀的簇头组以均衡簇头间的负载。在与基站通信方面，使用多跳路由进行优化，以减轻距离基站较远的簇头能量过量消耗的问题。并采用概率均衡函数对是使用单跳传输还是多跳传输进行概率选择，以均衡簇头与基站的通信消耗。
　　 通过仿真实验的验证，本文的算法是一个节能性较好、能耗均衡的路由算法。与基本的LEACH算法及其改进算法相比较，本文的算法在整个运行期间具有较好的节能性，节点间的负载较为均衡，使得节点寿命进一步延长，适用于对网络生命周期要求较高的应用。

目录

摘要

CONTENTS

第一章 绪论

1．1 无线传感器网络简介

1．1．1 无线传感器网络的网络体系结构

1．1．2 无线传感器网络的特点

1．1．3 无线传感器网络的应用

1．2 研究背景与意义

1．3 国内外研究现状与分析

1．4 本文的研究内容

1．5 本文的组织结构

第二章 无线传感器网络路由协议

2．1 WSN路由算法研究思路

2．2 WSN路由算法分类

2．3 经典路由算法

2．3．1 Flooding及Gossining协议

2．3．2 SPIN协议

2．3．3 Directed Diffusion协议

2．3．4 LEACH协议

2．3．5 PEAGSIS协议

2．3．6 TEEN协议

2．4 本章小结

第三章 LEACH协议详细分析

3．1 LEACH协议详细介绍

3．1．1 假设条件

3．1．2 工作周期

3．1．3 簇头选择算法

3．1．4 分簇算法

3．1．5 数据传输

3．2 LEACH协议存在的问题

3．2．1 簇内成员个数差异引起节点能量不均衡

3．2．2 簇头与基站距离不同引起能耗不均衡

3．3 LEACH协议能量均衡相关改进

3．4 本章小结

第四章 基于能量均衡的路由算法LEACH-GEB

4．1 LEACH-GEB的簇头选择

4．1．1 最优簇头数量的计算

4．1．2 染色体的编码

4．1．3 适应度函数的确定

4．1．4 选择交叉变异

4．2 LEACH-GEB的簇间路由

4．2．1 确定最优跳数

4．2．2 选择最优转发节点

4．2．3 概率转发函数

4．3 本章小结

第五章 实验仿真及结果分析

5．1 无线传输能耗模型

5．2 评价参数

5．3 仿真环境

5．4 仿真结果及分析

5．4．1 生命周期

5．4．2 接收数据包量

5．4．3 时间和网络能量消耗的关系

5．5 本章小结

总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

声明

致谢