基于能量和均衡分簇的WSN自适应路由协议研究

摘要

无线传感器网络是由大量资源受限的传感器节点通过无线方式自组织构成的网络。它能够应用在恶劣甚至人们无法靠近的危险环境中，如防恐、野生环境监测、军事侦察、地震探测、矿井安全监测等。随着科学技术的发展，无线传感器网络将会在更多的领域得到应用。
　　 近年来，基于MEMS的传感器技术、低能量模拟/数字电子器件和低能量RadioFrequency设计的发展使得相对便宜和低能量的无线传感器的发展成为现实。随着传感器节点的硬件性能不断增强，节点的计算能力、存储能力、通信能力和电池供电能力等都得到了很大的提高。但是，网络通常部署在恶劣甚至危险的环境中，且节点数量巨大，节点电池模块的更换几乎不太可能。如何在节点各方面资源受限的情况下，减少网络能耗，延长网络的寿命，对于无线传感器网络的使用者具有巨大的实际意义。
　　 网络层的路由协议是影响网络生存周期的关键问题，本文在对传感器网络路由协议相关工作进行总结和分析的基础上，着重对分簇路由协议进行了深入地研究。主要研究工作包含以下几个方面:
　　 (1)对无线传感器网络路由协议的相关研究成果进行了综述，按照网络拓扑结构的分类对现有路由协议进行了综合分析，归纳出各协议的原理及优缺点，指出了无线传感器网络路由协议的发展趋势。
　　 (2)针对LEACH协议在选举簇头时未合理考虑节点剩余能量可能导致低能量节点成为簇头而过早死亡以及未合理考虑簇成员数量可能导致簇大小不均衡的问题，提出了基于能量和均衡分簇的单跳WSN自适应路由协议。该方法的簇头选举考虑了节点剩余能量因素，尽量避免低能量节点被选举为簇头而过早死亡导致簇内的数据无法到达基站，可推迟网络首个节点的死亡时间并提高数据包发送成功率;同时采用了均衡化思想自适应形成簇成员，避免成簇过大或者过小导致能耗不均和能耗过多，该方法可均衡并减少网络节点的能量消耗。
　　 (3)针对目前无线传感器网络基于分簇的单跳路由协议在数据传输阶段过多地消耗簇头节点的能量以及无法适用于大规模网络的问题，提出了基于能量和均衡分簇的多跳WSN自适应路由协议。该方法采用多跳方式进行数据传输以减小簇头的通信距离，增加簇头间的数据融合以减少网络的通信量，降低了网络的能量消耗;同时将节点的数据经过中间节点转发给基站使得网络节点不必都具有直接与基站进行通信的能力，以此扩大网络的规模。
　　 (4)利用网络仿真平台NS2对本文提出的基于能量和均衡分簇的单跳WSN自适应路由协议和基于能量和均衡分簇的多跳WSN自适应路由协议进行仿真分析，实验结果验证了所提出的自适应路由协议的有效性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景和意义

1．2 无线传感器网络的特点及应用场合

1．3 本文的主要研究工作

1．4 各章节安排

第二章 无线传感器网络路由协议研究进展

2．1 平面路由协议研究概况

2．2 分簇路由协议研究概况

2．3 现有路由协议的优缺点

2．4 路由协议研究新趋势

2．5 本章小结

第三章 基于能量和均衡分簇的单跳WSN自适应路由协议

3．1 概述

3．2 分簇式无线传感器网络能耗模型

3．3 LEACH协议分析

3．4 基于能量和均衡分簇的单跳WSN自适应路由协议

3．4．1 路由协议基本思想

3．4．2 路由协议步骤

3．4．3 数据包内容设计

3．5 路由协议节能定性分析

3．5．1 合并控制分析

3．5．2 分裂控制分析

3．6 本章小结

第四章 基于能量和均衡分簇的多跳WSN自适应路由协议

4．1 概述

4．2 基于能量和均衡分簇的多跳WSN自适应路由协议

4．2．1 路由协议基本思想

4．2．2 路由协议步骤

4．2．3 数据包内容设计

4．2．4 固定帧长计算

4．3 协议的节能定性分析

4．4 本章小结

第五章 仿真实现与结果分析

5．1 NS2网络模拟仿真系统

5．2 仿真实验步骤

5．3 单跳WSN自适应路由协议仿真与分析

5．3．1 单跳WSN自适应路由协议仿真实现

5．3．2 实验结果比较分析

5．4 多跳WSN自适应路由协议仿真与分析

5．4．1 多跳WSN自适应路由协议仿真实现

5．4．2 实验结果比较分析

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表的论文