基于最小跳数的无线传感网络分簇路由算法

摘要

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是以微机电系统结合嵌入式技术，由大量多功能传感器节点以自组织形式构成的监测网络。目前，不仅仅在军事和科学研究中其价值得到体现，其应用方向更是触碰到了生活的方方面面。无线传感器节点具有成本低廉、功能多样、部署简单等优点，但是它在实际的应用中也体现着一些问题:首先，传感器节点依靠电池供电且不能通过人工维护更换电池，那么能量耗尽就意味着传感器节点的死亡，能量问题成为传感网络中最敏感的话题;第二，传感器节点一般部署于偏远或环境条件恶劣的地区，复杂的环境条件要求网络应具有优良的拓扑结构，以简单化对网络的管理;第三，传感节点对监测区域的采样中存在大量冗余，冗余数据的传输不仅消耗网络带宽而且浪费节点能量，所以，应引入数据融合或其他相关策略以提高网络的性能。为了解决上述问题，设计高效的路由策略以及优化网络拓扑结构日益成为国内外研究的重点课题。
　　本文针对路由算法和网络拓扑进行研究，主要贡献有以下两点:
　　首先，针对传输链路不稳定和延迟问题，通过改进MHR提出了基于剩余能量和拥塞控制的路由算法CEMHR。对于延迟问题，在传输数据寻找转发路径上，综合能量和拥塞程度两个因素作为标准;对于链路不稳定可能造成的传输失败问题，该算法引入了多节点备份的思想，以有限状态机的模式保证数据的可靠传输。仿真实验表明，CEMHR算法能够有效的提高网络传输效率，均衡的利用网内节点能量，在不同的网络环境下均能有效的降低传输延迟，提高了网络的生命周期。
　　其次，本文分析了经典分簇路由算法HEED存在的不足，提出了基于WSN时空特性与模型优化的分簇路由算法M-HEED(Model-HEED)。在数据采样阶段，以模型预测技术代替了传统的传感采样，同时为了保证系统的准确性，考虑到了误差范围;在成簇阶段，由原先的大量成员节点入簇改进为少量的超级节点入簇，很大程度上降低了控制消息的传递;簇间路由采用CEMHR算法以保证模型和数据的可靠传输;重新分簇机制不再采用周期性的选举，而是根据实际应用的情况作出判断，以节点剩余能量和是否存在异常为标准;为提高网络的可靠性，算法提出了由Sink到簇头再到超级节点的两级链路探测技术。最后，通过仿真实验验证，M-HEED算法较HEED算法能够有效的延长网络寿命，降低数据冗余，同时提高了网络的传输效率，保证了网络的安全可靠。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外的研究现状

1．3 论文研究主要内容

1．4 论文结构安排

2 无线传感网络及其路由算法研究

2．1 无线传感器网络的特点及性能评价指标

2．1．1 无线传感器网络的特点

2．1．2 无线传感器网络路由算法性能评价指标

2．2 无线传感网络路由算法

2．2．1 最小跳数路由算法研究

2．2．2 分簇路由算法研究

2．3 本章小结

3 基于剩余能量和拥塞控制的最小跳数路由算法

3．1 问题提出

3．2 系统模型

3．2．1 网络模型

3．2．2 能耗模型

3．2．3 ACK机制

3．2．4 节点拥塞情况分析

3．3 最小跳数路由算法CEMHR

3．3．1 算法改进思路

3．3．2 算法描述

3．4 仿真实验与性能分析

3．4．1 仿真环境

3．4．2 性能分析与比较

3．5 本章小结

4 基于WSN时空特性与模型优化的分簇路由算法

4．1 问题提出

4．2 HEED分簇路由算法描述及分析

4．2．1 HEED算法描述

4．2．2 HEED算法分析

4．3 M-HEED分簇路由算法

4．3．1 系统模型

4．3．2 建模过程

4．3．3 成簇算法

4．3．4 簇间路由机制

4．3．5 重新分簇机制

4．3．6 网络可靠性

4．4 仿真实验与性能分析

4．4．1 性能评价指标

4．4．2 仿真实验参数

4．4．3 实验结果与分析

4．5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢