提高无线传感器网络能量效率的分簇和路由研究

摘要

如何高效地使用有限的节点能量来延长网络生存时间，已成为无线传感器网络面临的首要挑战。 网络拓扑的设计和路由的选择将对节点能量消耗产生重大的影响。 针对网络通信负载和能量消耗的不均衡问题，本文以网络能量的高效利用为目标，对无线传感器网络拓扑的优化和路由协议这两个关键技术进行研究。 首先，为了解决网络中节点能量利用不均衡造成的能量浪费问题，提出一种基于功率均衡的分布式动态分簇机制，建立层次型网络拓扑结构。 在基本的簇结构下，以不同簇的功率均衡作为约束条件，预先确定分簇的拓扑模型，期望每个簇的能量能够同时耗尽； 节点根据模型参数采用分布式方式快速分簇，并通过对位置和剩余能量的评估来竞选簇头。 基站通过对模型的特征参数进行周期性调整，开始新的一轮簇的建立，改变簇的相对分布，使簇头在不同节点间轮换，从而将通信负载均匀分布到各节点。 其次，针对层次性网络拓扑下不同类型节点在传输能力、通信负载和能量消耗等方面的差异，提出一种能效引导的双层路由协议。 将路由问题分解为簇头之间的骨干层路由和簇成员.簇头的低层路由。 设计基于最小传输能耗和负载均衡的骨干层路由判据，在最小化簇头传输能耗的基础上，采用吸引因子来均衡不同中继节点的通信负载和可用能量； 为低层路由选择设计自适应的最小传输能耗作为度量指标，在保证中继节点能量充足的前提下，为簇成员选择具有最小传输能耗的单跳或多跳路径到达簇头。 最后，利用NS2网络仿真工具对节点能量消耗的均衡性、网络生存时间、数据传输所需能耗等方面进行性能评估，验证所提的分簇机制和路由协议的有效性。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明

声明

第一章绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3研究内容

1.4论文组织结构

第二章提高网络能量效率的分簇和路由问题分析

2.1无线传感器网络中的能量效率需求

2.1.1网络能耗特点分析

2.1.2能耗问题对网络协议的设计要求

2.2 WSN中的分簇技术研究

2.2.1分簇的特点与作用

2.2.2能量均衡的分簇技术分析

2.2.3分簇技术的设计难点和需求

2.3 WSN中的路由协议研究

2.3.1能量感知的路由协议分析

2.3.2路由协议的设计难点和需求

2.4提高能量效率的分簇和路由设计思路

2.5本章小结

第三章基于功率均衡的分布式动态分簇机制

3.1功率均衡下的分簇拓扑模型设计

3.1.1网络模型和假设

3.1.2能量模型推导

3.1.3分簇模型参数的确定

3.2分簇模型的分布式实现方案

3.2.1基于位置比较的簇的划分

3.2.2基于适宜度函数的簇头选择

3.3分簇方案的动态调整

3.4算法仿真模拟和结果分析

3.4.1 NS2网络模拟器

3.4.2仿真参数与性能判据

3.4.3仿真结果分析

3.5本章小结

第四章能效引导的双层路由协议

4.1分簇结构下的双层路由问题描述

4.4.1变量定义

4.4.2路由选择目标

4.2能效引导的路由判据设计

4.2.1传输能耗和中继负载兼顾的骨干层路由判据

4.2.2自适应最小传输能耗的低层路由判据

4.3双层路由协议的实现

4.3.1簇头骨干层路由选择

4.3.2簇成员-簇头路由选择

4.4算法仿真模拟和结果分析

4.4.1仿真环境与参数

4.4.2性能评价指标

4.4.3仿真结果分析

4.5本章小结

第五章结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

附录

致谢

攻读学位期间主要的论文情况和科研情况