基于粗糙C-均值聚类的WSN能量均衡路由算法研究

摘要

随着传感器技术、嵌入式开发技术、网络及通讯技术、分布式处理技术的飞速发展与完善，无线传感器网络（WSN）已经广泛应用于环境监测、农业、医疗卫生、军事、物联网等领域。WSN是通过将成千上万、具有通讯能力和计算处理能力的传感器节点随机部署在监控区域，利用这些节点自组织的方式完成相关信息的监测。然而由于节点的能量有限，一般无能量补充，使得研究能量耗散少的、负载均衡的路由算法成为众多学者的研究目标。本文针对传统的层次式路由协议存在节点分布不均匀、节点选择随机性、能量消耗不均衡等问题，研究了基于粗糙C-均值的能量均衡路由算法，并进行了仿真验证，主要研究内容包括：
　　首先，传统的粗糙C-均值聚类算法在处理LEACH算法的节点分簇时，在其迭代更新簇心公式过程中，上下近似集中的节点使用统一的权重值，忽视了簇内节点对象之间的区别，导致某些节点的错误分类，以及簇心偏移所在的簇等问题，提出了基于簇内加权的粗糙C-均值聚类算法（WCRCM算法）。通过计算节点对象偏移簇心的程度，为每个节点对象分别赋予不同的权重值，越是靠近簇心的节点其所在簇的权值越大，表明此对象对所在簇的贡献最重。通过这种方法，动态地为每个节点对象赋予不同的权值，实例计算仿真表明改进的方法改善了算法的性能以及LEACH算法中节点的分簇。
　　然后，根据传统的LEACH算法每轮选择出的簇头节点位置分布极不均匀，偏离簇头节点较远的普通节点在与簇头节点通信时消耗更多的能量，节点电能容易耗尽，失去工作能力，提出将WCRCM算法加入LEACH算法中。首先将整个WSN区域中的传感器节点划分成多个簇，每个簇内的节点数量、位置大致相同，完成网络中簇的构建。然后在每个簇中分别使用LEACH算法，从而保证簇头节点在地理位置上分布均匀。同时，由于LEACH协议选择节点存在任意性且节点以等概率成为簇头节点，缺乏对能量特性的考虑。本文在选择簇头节点时，利用WCRCM算法将节点标志成上节点或下节点，由于下节点必定归属其所在的簇，故选择簇头节点时在下节点集内选择。其次，考虑每轮节点的剩余能量，即每轮中所有节点的能量大于簇内平均值才有机会担任簇头节点，并且按照WSN聚类生成簇的大小，自适应地给每个节点分配成为簇头节点的概率。
　　最后，在研究节点通信时，根据节点的初始能量、传输信息量以及节点的通信半径设置单跳、多跳相结合的方式，节省节点的能量损耗，且从某轮的簇头节点分布、WSN的生命周期、每轮剩余能量以及存活节点的分布情况四个方面进行对比试验，得出本文的改进的算法更有效的提高网络寿命、均衡网络负载。

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专用术语注释表

第一章 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2研究现状

1.3研究内容

1.4本文结构

第二章 相关概念与基本知识

2.1无线传感器网络以及路由协议

2.2粗糙集的基础知识

2.3聚类技术简介

2.4本章小结

第三章 基于簇内加权的粗糙C-均值聚类算法

3.1引言

3.2 RCM算法介绍

3.3基于簇内加权的粗糙C-均值聚类算法

3.4实例仿真分析

3.5本章小结及展望

第四章 基于粗糙C-均值聚类的改进LEACH算法

4.1 LEACH算法模型结构

4.2 LEACH算法描述

4.3基于WCRCM改进的LEACH算法

4.4算法仿真与分析

4.5本章小结

第五章 总结与展望

5.1论文总结

5.2论文展望

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文

附录2 攻读硕士学位期间参加的科研项目

致谢