无线传感器网络分布式多跳分层路由协议研究与设计

摘要

在无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)中，传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，其计算和存储能力、通信能力以及携带能量都非常有限，这就导致传统的路由协议无法应用于 WSN。按照网络逻辑结构不同，WSN路由协议一般分为平面路由协议和分层路由协议，大量研究证明分层路由协议的能效性、可扩展性和健壮性都优于平面路由协议，因此如何设计负载均衡和能量高效的WSN分层路由协议是当前研究的热点。
　　本文在对大量传感器网络路由协议研究分析的基础上提出了一种基于分环和“热区”轮换的分簇路由协议(CRPRH)，针对现有分簇多跳路由协议能量利用效率不高和节点能耗不均的问题做出了如下改进：
　　1．为了解决能量“热区”问题，CRPRH协议在分环的网络模型中通过非均匀分簇的方式来控制各环簇集的规模。首先计算出可以使“热区”能耗最小的最优成簇半径，进而推算出每一环的最优成簇规模，最终达到网络负载均衡的目的。但在实际网络中，不能无限制增大外环成簇半径，因此当网络规模较大时，能量“热区”问题仍然存在。针对该问题我们提出了“热区”轮换的机制，使监测区域中各个环轮流成为“热区”，保证了大规模WSN中传感器节点的负载均衡。
　　2．对成簇过程的控制采用分布式和集中式相结合的方式。CRPRH协议对监测区域中各环成簇半径是动态控制的，汇聚节点可以根据网络能量结构的变化对成簇参数做出及时调整。不同于传统的集中式路由协议，CRPRH协议中汇聚节点不需要知道所有节点的信息，而仅仅通过“热区”节点的相关信息就可以计算出成簇所需参数，具体的成簇过程仍然由普通节点自己完成。集中式和分布式相结合的成簇算法使协议具有很好的自适应性和可扩展性。
　　3．在数据传输阶段，簇间路由采用动态路径选择的方式，在考虑低能耗的同时，也从整体上使路由数据的转发更加均衡地分散到各个簇头节点中。此外，提出了路由节点保护机制，使簇头节点能够及时更新路由表，提高了网络健壮性。
　　从仿真结果可以看出，在中、大规模的WSN中CRPRH协议都有优良的性能表现，与LEACH、LEACH-C协议相比，显著提高了网络的均衡性和生存性。

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第一章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要工作及结构安排

第二章 无线传感器网络路由协议

2.1 传感器网络体系结构

2.2 传感器网络路由协议概述

2.3 传感器网络路由协议的分类

2.4 现有经典路由协议

2.5 本章小结

第三章 基于分环和“热区”轮换的分簇路由协议研究与设计

3.1 引言

3.2 CRPRH算法的提出

3.3 CRPRH协议系统模型及假设

3.4 簇的构建阶段

3.5 路由表建立阶段

3.6 稳定数据传输阶段

3.7 本章小结

第四章 CRPRH协议的仿真及性能分析

4.1仿真平台介绍

4.2 WSN路由协议性能评价指标

4.3 CRPRH协议仿真

4.4 本章小结

第五章 总结及展望

5.1 全文总结

5.2 下一步工作

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果