高效能混合天线多链收集路由算法

摘要

无线传感器网络（WSN）是一种分布式传感网络，它由大量可以感知外部世界的传感器通过自组织和多跳的方式组成，节点配备不同的传感器，可检测出包括温湿度、光强度、磁场、材料成分等在内的各种信息，因而可广泛用于包括军事应用、医疗卫生、环境及农业、智能家居等多个领域。
　　我国的农业自改革开放以来得到了快速发展，但与发达国家相比，我国的农业经济，无论在速度上、规模上、还是效益上，与西方的现代农业还是有很大差距。正是由于这些不足，所以国家一直致力于推动农业现代化的建设。农田面积一般比较大，人工监测不方便，把新兴的无线传感器网络技术应用于农田监测对于实现农业现代化具有重大的意义。
　　在无线传感器网络的研究中，路由算法是重点，也是难点，它负责决定数据从源节点到达目的节点的传输路径，合适的路由算法能有效均衡网络能耗，提高数据传输效率，并延长网络寿命。由于传感器节点能量受限，相对于传统的路由算法，WSN中的路由算法有其独特的地方。传统的WSN大部分采用全向天线构建无线网络，虽然价格便宜、方便安装，但由于全向天线通信范围小、能量消耗较大，导致网络的规模受限，许多能量耗损在无用的方向上，在本文中，无线传感器网络引入了定向天线，利用定向天线在长距离通信上的优势，减少能量损耗，扩大网络规模，此外，通过多链结构避免长链和减少时延。
　　本文主要研究WSN中的高效能收集路由。针对大面积无线传感器网络中节点因传输距离过远而能量消耗过快容易死亡的问题，本文在网络中引入定向天线，设计了基于混合天线的高能效多链收集路由算法（EEMC）。通过定义距离阈值避免过多长链的产生，在区域内构造多条短链，每条短链选出一个链头，选取原则是选择节点剩余能量多和距离基站近的节点，链头收集完链内节点的数据后将其传送至基站。距离阈值的定义根据链路位置和节点死亡情况有所变化，短链间采用全向天线传输数据，链头节点通过定向天线向远处的基站发送数据。仿真结果表明，EEMC较好地节省并均衡了网络的能量损耗，在网络规模较大时，表现更加优于其他算法。在规模较大的场景三（400个节点随机分布在400m×400m的区域内）中，EEMC的网络生命周期达到1199轮，分别比PEGASIS、COSEN、CCS延长了104.6%、70.6%和31.6%，而LEACH的生命周期只有33轮；在稳定周期上，EEMC达到了674轮，同时其他算法最多只达到了26轮。运行到600轮时，EEMC算法的网络剩余总能量达到99.77，分别比PEGASIS、COSEN、CCS多了294.0%、165.6%、80.2%。LEACH算法在414轮就全部节点死亡，而EEMC算法则在1232轮才全部节点死亡。在时延方面，PEGASIS算法时延最大，EEMC算法时延约为PEGASIS算法的50%，LEACH、COSEN、CCS算法的时延为PEGASIS算法的23%。

目录

声明

1绪论

1. 1 研究背景及意义

1. 2 国内外研究现状

1. 3 论文课题的来源

1. 4论文的主要研究工作

2理论基础

2. 1 无线传感器网络

2. 2 无线传感器网络路由协议

2. 3 无线传感器网络中的天线

2. 4 本章小结

3.1 PEGASIS的概述

3.2 PEGASIS算法的网络模型和能量模型

3.3PEGASIS路由协议的具体流程

3.4 PEGASIS的优缺点

3. 5 本章小结

4. 1 算法的提出

4. 2 网络模型

4. 3 能量模型

4. 4 EEMC算法描述

4. 5本章小结

5 仿真与分析

5. 1仿真参数设置

5. 2仿真结果分析

5. 3本章小结

6结论

6. 1 研究成果

6. 2 工作展望

致谢

参考文献

附录A：攻读硕士学位期间的科研成果

附录B：EE MC协议的部分仿真程序