基于软件定义网络的WSNs非均匀分簇算法研究

摘要

无线传感器网络(WSN)是由大量的无线传感器节点构成的一种可以具有广泛用途的网络，其可用来进行环境监测，军事监控，目标追踪等应用。通常无线传感器网络节点是一些嵌入式设备，其具有低功耗，能量一定不可充电，存储能力有限的特点。由于能量固定的特点，网络运作过程中会出现节点死亡现象，如何高效利用节点能量，尽可能的提高网络生存时间为设计无线传感器网络协议的一个首要考虑的问题。
　　无线传感网络路由协议依据网络节点在路由中的地位分为平面路由和分层路由。分簇路由协议是分层路由的典型代表。分簇路由利用数据聚合技术，极大地提高了网络生存时间。软件定义网络(SDN)在近几年飞速发展，逐渐有学者将SDN架构进入到WSN中，通过SDN的高灵活性和高可配置性来提高整个网络性能。本文提出了一种基于软件定义网络的无线传感网络非均匀分簇协议SDUCR(SDN-based Unequal Clustering Routing protocol for WSNs)。
　　现阶段的分簇协议均为分布式路由，在簇头选择阶段和路由线路选择阶段节点间需要大量的信息交换。针对以上不足，SDUCR做了如下优化:
　　(1)将分簇工作和路由线路选择工作交付给控制器。由控制器决定簇头、簇成员和簇头到基站的下一跳，然后通过控制包下发到簇头节点。
　　(2)控制器端使用CUCA算法进行分簇，通过对传感器节点相互之间的距离和剩余能量，选择最优的簇头，并使用非均匀分簇方式，使得靠近基站的簇的大小尽量小，簇头尽量多，从而推迟能量黑洞的出现时间。
　　(3)控制器使用CGMEC算法来建立路由树。控制器维护整个网络的拓扑图，根据拓扑图计算出能量耗费最小的路由路径，从而建立能量耗费最小路由树。
　　(4)设置能量阈值来控制分簇频率，当簇头节点能量小于能量阈值时，控制器在当前簇内选择轮换节点，避免频繁分簇。
　　仿真实验表明，SDUCR相比LEACH，HEED，EEUC，CAUCR等协议，极大地提高了网络生存时间。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文主要工作

1．4 本文组织结构

2 基于软件定义网络非均匀分簇协议研究相关基础

2．1 无线传感网络路由协议概述

2．1．1 路由协议分类

2．1．2 各路由协议比较

2．2 软件定义网络架构及其在WSNs中的应用

2．2．1 SDN网络架构

2．2．2 SDN化WSNs

2．3 本章小结

3 SDUCR路由协议的分析与实现

3．1 系统模型

3．1．1 网络架构

3．1．2 能量消耗模型

3．1．3 多跳传输能耗模型分析

3．1．4 理论基础

3．1．5 非均匀分簇网络拓扑

3．2 SDUCR协议过程详解

3．2．1 SDUCR拓扑发现

3．2．2 SDUCR分簇过程

3．2．3 SDUCR路由过程

3．3 SDUCR协议性能分析

3．4 本章小结

4．1 仿真实验框架

4．2 仿真参数设置

4．3 仿真结果与分析

4．4 SDUCR鲁棒性分析

4．5 SDUCR协议应用场景

4．6 本章小结

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文和参加科研情况