基于能量势场的大规模无线传感器网络分簇路由协议研究

摘要

无线传感器网络能量受限问题受到学者们广泛关注。层次路由协议采用分层策略减少节点能量消耗，靠近基站的传感器节点承受较大负载而快速消耗其能量导致这一区域的节点成片死亡，网络中形成能量空洞。如何使节点能量消耗更均匀，延缓能量空洞的形成，是延长无线传感器网络的生命周期的关键。
　　本文主要工作如下:
　　(1)对无线传感器网络的拓扑控制协议进行分析，深入研究了层次路由协议的典型代表LEACH协议及其各类改进算法。引入物理学中势场的概念，将无线传感器网络模拟为势场模型，根据节点间的势差构建簇间多跳路由结构，完成数据传输。
　　(2)提出了一种基于能量势场的分簇协议LEACH-PF，在成簇过程根据阀值d0将网络划分为方形区域，控制簇内传输的能量消耗，簇间多跳路由传输过程根据势差完成网络拓扑构建，LEACH-PF延长了网络节点的生存时间。
　　(3)针对层次路由协议出现的能量空洞问题，提出了一种分簇协议EEPF，通过区域划分的方式确定区域最优簇分布，并通过簇首节点间势差构建多跳路由树，完成数据从节点到基站的传输过程，均衡了节点的能量消耗，延缓了能量空洞出现。
　　本文的对LEACH-PF协议和EEPF协议进行了实验仿真。仿真结果表明，与LEACH为代表的层次路由协议相比，LEACH-PF和EEPF可有效降低网络能耗，网络的生存时间（轮数）比LEACH协议延长了近三倍。较好的均衡了节点的能量消耗，防止部分区域节点能量消耗过大，网络节点成片死亡，延缓能量空洞出现的时间，相较于传统的方法，在实际应用中能够对监测目标实行更长时间的监测，从而减少了网络部署成本。

目录

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摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 课题来源

1．2 选题背景及其意义

1．3 主要研究内容

1．4 论文结构

第2章 无线传感器网络路由协议综述

2．1 引言

2．2 路由协议综述

2．2．1 路由协议分类介绍

2．2．2 层次路由协议

2．2．3 能量空洞避免路由协议

2．2．4 基于场的路由协议

2．3 小结

第3章 基于势场的能量有效路由协议

3．1 引言

3．2 虚拟能量势场模型

3．2．1 电场概念

3．2．2 能量势场概念

3．3 能量有效路由协议LEACH-PF

3．3．1 网络模型和问题描述

3．3．2 成簇阶段

3．3．3 基于能量势场的簇间多跳路由

3．4 实验仿真

3．4．1 实验参数

3．4．2 仿真实验结果与分析

3．5 小结

第4章 基于势场的能量空洞避免协议

4．1 引言

4．2 无线传感器网络分区机制

4．3 基于势能场的协议EEPF

4．3．1 成簇阶段

4．3．2 簇间多跳路由建立阶段

4．4 实验仿真

4．4．1 实验参数

4．4．2 仿真实验结果与分析

4．5 小结

结论

参考文献

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录

附录B 攻读学位期间所参与的研究项目

致谢