大规模WSN中基于分环分簇的能量高效路由协议研究

摘要

WSN中传感器节点能量、存储处理和传输能力的限制使得传统的路由协议不适合无线传感器网络，同时与平面路由协议相比，分簇路由协议具有更好的健壮性和可扩展性，适用于大规模WSN，通过设计合适的无线传感器网络分簇路由协议，可以延长整个网络的生存周期。
　　 通过对LEACH协议及基于能量优化的经典路由协议介绍及性能综合对比分析，指出了各自的优缺点，并在此基础上提出了一种应用于较大规模无线传感器网络分簇路由协议ERPSC。
　　 本文首先提出了一种基于分环的网络模型，将无线传感器网络的监控区域划分成多个同心圆，计算出各环面能量消耗最小的最优簇头节点数目。在簇首选择上，采用了非均匀分簇思想，融入节点剩余能量和连通度等因素，候选簇首根据距离基站的环数确定竞选半径，离基站越近的簇竞选半径相对越小，从而构造出规模大小合理的簇，这样有利于克服无线传感器多跳网络的“热区”问题。在簇间多跳路由中，簇首根据网络状态动态产生侯选路由，选择下一跳中继簇首节点时综合考虑了链路的通信开销和节点的剩余能量及避免经过“能量热区”，根据权值选择最优路径。
　　 仿真结果表明，与经典分簇路由协议LEACH、EEUC相比，ERPSC协议应用在较大规模WSN网络中，降低了网络整体能耗，均衡网络负载，从而延长网络生存时间。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究的背景

1.2 无线传感器网络概述

1.2.1 无线传感器网络体系结构

1.2.2 无线传感器网络的特点

1.3 无线传感器网络的关键技术

1.4 无线传感器网络的应用

1.5 无线传感器网络路由研究的目的和意义

1.6 论文结构

第二章 无线传感器网络分簇路由协议

2.1 无线传感器分簇路由协议概述

2.2 无线传感器网络分簇路由协议的性能评估

2.3 典型分簇路由协议

2.3.1 LEACH协议

2.3.2 LEACH_c和LEACH_F协议

2.3.3 HEED协议

2.3.4 PEGASIS协议

2.3.5 TEEN和APTEEN协议

2.3.6 EEUC协议

2.3.7 性能比较

2.4 本章小结

第三章 基于分环分簇的能量高效路由协议研究

3.1 算法的提出

3.2 系统模型与假设

3.2.1 网络模型及假设

3.2.2 能量消耗模型

3.3 最优簇首数目及环面宽度的确定

3.3.1 最优簇首数目分析与计算

3.3.2 最优环宽R的确定

3.4 簇的构造阶段

3.4.1 改进的簇首选择算法

3.4.2 簇的形成

3.5 ERPSC算法的数据传输

3.5.1 簇内路由

3.6.2 簇间多跳路由机制

3.6 本章小结

第四章 ERPSC算法仿真与性能分析

4.1 ERPSC算法特点及参数分析

4.2 网络性能评价指标

4.3 ERPSC仿真环境及参数仿真

4.3.1 仿真环境

4.3.2 参数仿真

4.4 ERPSC算法仿真结果及性能分析

4.4.1 网络生存周期及能量效率

4.4.2 网络整体能耗

4.4.3 节点能耗分布

4.4.4 基站接收的数据量

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 论文总结

5.2 进一步的研究工作

参考文献

附录

附录1 中继族首节点的通信代价相关证明

致谢

攻读学位期间主要的研究成果