能耗均衡的WSN非均匀分簇路由协议研究与设计

摘要

无线传感器网络由大量能量受限制的传感器节点通过自组织方式组成，节点之间协作完成网络的数据传输。然而由于节点体积和成本的限制，传感器节点通常在计算能力、通信能力和能量等方面受到极大影响。如何实现无线传感器网络能量消耗最小化以及最大化网络生存时间，是无线传感器网络的优化目标。现有的研究工作从不同的方向来延长无线传感器网络的生存时间，本文则从无线传感器网络路由协议出发，研究了如何通过优化无线传感器网络中的路由协议来延长网络的生存时间。　　针对目前一些路由协议存在的耗能不均衡问题，本文提出了一种耗能均衡的非均匀分簇路由协议。本协议设计了基于分块的网络模型，在分簇方面采用了非均匀分簇的思想，解决了簇间多跳时带来的网络“热点”问题;根据簇头耗能均匀的原则计算出各层最优簇头数;并为了使簇头在各层内均匀分布，使同层形成的簇规模相近，根据计算出的最优簇头数将各层进行均匀分块，并进行块内簇头选举，从而使耗能更加均衡化。在簇间通信方式上，本协议适用多跳转发的方式。在研究了目前一些多跳路由机制的基础上，本文引入了路由选择指标和簇头路由指数两个概念，其中前者主要是从源节点的角度出发，选择网络开销较少的路由节点，后者主要是从路由节点的角度出发，根据自己的负载度来回复源节点的申请。这种通信方式不仅能减少能量消耗，同时又可以均衡网络负载，从而达到均衡能耗的目的，延长整个网络的生命周期。　　在MATLAB仿真平台上将经典分簇路由协议LEACH和非均匀分簇路由协议EEUC以及本文提出的耗能均衡的非均匀分簇路由协议进行仿真比较，比较主要涉及簇头分布、节点死亡率、网络能耗以及网络寿命等几个方面。实验表明，本文提出的路由协议在均衡网络能耗方面有显著的优势，尤其在大规模的网络下，能够显著的延长网络寿命。　　通过本课题的研究，为进一步研究无线传感器网络提供了方法，下一步的工作将主要集中于路由协议安全性方面的问题研究。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究目的和意义

1．3 无线传感器网络简介

1．3．1 无线传感器网络节点结构

1．3．2 无线传感器网络的特点

1．3．3 无线传感器网络的应用

1．4 无线传感器网络的发展趋势

1．5 论文组织结构

第2章 无线传感器网络路由协议

2．1 无线传感器网络路由协议概述

2．2 无线传感器网络路由协议关键问题分析

2．2．1 无线传感器网络路由协议设计面临的挑战

2．2．2 无线传感器网络路由协议设计的目标

2．3 无线传感器网络典型路由协议分析

2．3．1 平面路由协议

2．3．2 层次路由协议

2．3．3 各路由协议的性能比较

2．4 本章小结

第3章 能耗均衡的非均匀分簇算法

3．1 LEACH分簇路由协议

3．1．1 LEACH协议假设条件和能耗模型

3．1．2 LEACH算法描述

3．1．3 LEACH协议优缺点分析

3．2 非均匀分簇算法研究

3．2．1 网络“热点”问题

3．2．2 EEUC非均匀分簇算法描述

3．2．3 算法分析与优化方案

3．3 基于分块的非均匀分簇模型

3．3．1 模型的假设条件

3．3．2 模型的建立

3．4 能耗均衡的非均匀分簇算法

3．4．1 各层簇的最优个数

3．4．2 簇头选举策略

3．4．3 基于EBUC的分簇协议的流程

3．5 仿真结果与分析

3．6 本章小结

第4章 能耗均衡的非均匀分簇路由协议设计

4．1 基于分簇的路由算法研究

4．1．1 现有分簇路由算法介绍

4．1．2 簇间路由算法优缺点分析

4．1．3 簇间路由算法优化方案

4．2 负载均衡的簇间多跳路由设计

4．2．1 下一跳候选路由集合的选取

4．2．2 基于CRCI和CRQ的路由策略

4．2．3 负载均衡的簇间路由算法的流程

4．3 能耗均衡的非均匀分簇路由协议建立流程

4．4 仿真结果与分析

4．5 本章小结

第5章 总结和展望

5．1 研究工作总结

5．2 研究工作展望

参考文献

致谢

作者攻读硕士学位期间参与的科研项目