无线传感器网络能量有效性成簇路由算法研究

摘要

无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术，具有许多传统网络无法比拟的优点，可广泛应用于军事、医疗、灾难救助等环境中，已经成为现代通信技术中的一个热点研究领域。由于传感器网络中的节点普遍能量受限，因而设计能量有效的传感器网络路由协议受到了学术界和工业界的高度重视。 本文首先概述了影响传感器网络路由协议设计的因素，指出了传感器网络路由协议的评价标准，介绍了几种主流的传感器网络路由协议，并选择典型的低能量自适应聚类路由协议(LEACH)进行深入分析，着重描述了实现LEACH协议的关键算法，分析该协议存在的优势与不足，并给出一些修改建议。同时在网络仿真软件OPNET下搭建了一个具有良好通用性和可扩展性的LEACH协议仿真平台。 基于对LEACH协议的研究，本文提出了一种新的成簇路由算法--半径自适应成簇多跳路由算法(RACMH)。它将半径自适应成簇技术与多跳通信方式相结合，节点根据本地信息独立地决定成为簇头节点或成员节点，簇类覆盖的区域限制在一定半径范围内，所有簇头节点根据权重消息组织成一棵路由树，采用多跳通信方式向基站传输数据。仿真结果表明：1)RACMH算法最终形成的簇头数目与初始簇头数目无关；2)随着簇半径R的增大，RACMH算法最终形成的簇头数目减少；3)与LEACH算法比较，RACMH的FND、HND和LND分别提高43.8％、100.5％和70.4％，这表明RACMH算法比LEACH更能够减少能量消耗，延长网络生命周期，均衡网络负载；4)当基站距离增加时，RACMH的网络生命周期比LEACH的变化慢，这表明RACMH更适合大规模网络；5)当网络面积增大时，RACMH算法的性能开始退化，但总体性能仍优于LEACH算法。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:术语缩略语对照表

声明

第一章绪论

1.1课题研究背景

1.2课题研究目的与意义

1.3国内外研究现状与分析

1.4本文主要研究内容和结构

第二章无线传感器网络及其路由技术概述

2.1无线传感器网络

2.1.1体系结构

2.1.2无线传感器网络的特点

2.1.3无线传感器网络的关键技术

2.1.4无线传感器网络的参考模型

2.2无线传感器网络路由技术概述

2.2.1 Ad hoc网络路由协议不适合无线传感器网络的原因

2.2.2无线传感器网络路由协议设计影响因素

2.2.3无线传感器网络路由协议的特点

2.2.4无线传感器网络路由协议性能评价

2.3本章小结

第三章无线传感器网络现有路由协议分析

3.1平面路由协议

3.1.1 Flooding和Gossiping

3.1.2 MTE协议

3.1.3 SAR协议

3.1.4 SPIN协议

3.1.5 Direct Diffusion协议

3.2分簇路由协议

3.2.1 LEACH协议

3.2.2 TEEN协议

3.3.3 PEGASIS协议

3.2.4 HEED协议

3.2.5 EECS协议

3.3路由协议性能分析与比较

3.3.1路由协议性能分析

3.3.2路由协议性能比较

3.4分簇结构的优势

3.5本章小结

第四章经典LEACH协议的研究

4.1无线传感器网络的能耗模型

4.2 LEACH协议研究

4.2.1 LEACH协议的网络模型

4.2.2 LEACH协议算法分析

4.3 LEACH协议性能分析

4.3.1 LEACH协议的网络生命周期和能量消耗

4.3.2簇头概率对LEACH协议网络生命周期和能耗的影响

4.3.3最优簇头数目的选取

4.4基于OPNET的LEACH协议仿真建模

4.4.1包格式定义

4.4.2进程模型

4.4.3节点模型

4.4.4网络模型

4.4.5仿真实验

4.5本章小结

第五章半径自适应成簇多跳路由算法的设计

5.1 LEACH算法的问题分析

5.1.1簇头随机选择机制问题分析

5.1.2簇间单跳通信问题

5.2半径自适应成簇多跳路由算法

5.2.1簇头节点的选举与簇类的形成

5.2.2簇头节点间多跳路径的形成

5.2.3 RAMCH算法收敛性能分析

5.3仿真实验与性能分析

5.3.1 RACMH性能仿真实验

5.3.2 RACMH与LEACH的比较实验

5.4本章小结

第六章总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的主要研究成果