基于K-means聚类的WSN分簇式多跳能量路由算法研究

摘要

无线传感器网络(WSN)是物联网的核心技术，研究无线传感器网络相关课题对智能生活，经济和科技发展等方面都有重要意义。而路由算法是无线传感器研究中的核心，路由算法主要是确定网络中的数据传输路径，减少路由时带来的开销，同时提高网络的性能。本文以能量路由算法为主要研究对象，针对无线传感器网络研究和设计一种能量高效，性能良好的路由算法。本文主要从以下方面进行了研究：
　　首先，对经典分簇算法LEACH进行研究，分析和研究LEACH算法的不足，同时对LEACH算法的一些改进算法进行分析比较。在这个基础上，以节能、延长网络生命周期、提高网络性能为目的，分别从分簇，簇头节点选举以及网络中数据通信三个方面展开，提出合适的能量路由算法MECHK。在簇的建立过程中，先根据网络存活节点个数确定簇的个数，再采用k-means聚类算法对网络进行分簇，以使得分簇均匀。簇头选择上，考虑节点剩余能量，位置信息等参数设置建立线性系统，再利用高斯消去法综合计算选举出簇头。同时为了避免频繁分簇，只有当网络中有节点死亡导致网络结构变化时才继续采用k-means迭代分簇，只有簇头节点能量低于其邻居节点能量的平均值时才重新选举簇头，否则直接进入数据传输阶段，这样能在保证网络正常运行的情况下，减少分簇和选簇头带来的开销。
　　其次，在数据传输过程中，为均衡簇头的能耗和避免热区、热点问题的出现，在簇内自组成链式结构，数据链式传输到簇头；在簇间采用Dijkstra算法寻找最短路径形成簇间路由表，根据路由表采用多跳的方式将数据从簇头传输到基站。在两个数据传输模型中，每下一跳传输前都会进行数据的融合处理，以减少数据的冗余度。
　　最后，利用MATLAB仿真测试，仿真实验结果表明MECHK算法不仅能提高网络传输效率、能量的利用率还能均衡网络负载，延长网络生命周期。

目录

声明

西北师范大学研究生学位论文作者信息

1 绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3本文的研究内容

1.4论文的结构

2 WSN及K-means聚类算法

2.1 无线传感器网络

2.2 WSN的路由协议

2.3 K-means聚类算法

2.4本章小结

3 LEACH及其改进算法

3.1 LEACH算法研究

3.2基于LEACH的改进算法

3.3 本章小结

4 基于K-means分簇式多跳能量路由算法研究(MECHK)

4.1 MECHK提出的原因

4.2 MECHK算法改进的方面

4.3 MECHK的详细设计

4.4 本章小结

5 仿真测试与性能分析

5.1 仿真环境及参数设置

5.2 算法仿真流程及性能指标

5.3仿真结果与分析

5.4本章小结

6 总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

致谢