无线传感器网络节能路由协议的研究

论文摘要

无线传感器网络（Wireless Sensor Network,简称WSN）,是一种由大量的传感器节点以自组织方式构成的无线通信网络,其目的是利用传感器节点监测网络区域的环境信息,并将感知到的数据信息发送给观察者。无线传感器网络在军事、工业、农业及环境等多个领域具有巨大的应用价值,引起了业界的广泛关注。由于无线传感器网络应用环境的特殊性以及传感器节点能量有限性的特点,研究一种高效节能的路由协议成为无线传感器网络最重要的研究热点之一。本文介绍了国内外无线传感器网络路由协议的研究现状和应用要求。以目前研究最为热点的分簇路由协议做为突破口,着重从簇头的产生、簇的形成和簇间路由构建等角度系统地分析了当前典型的分簇路由算法的优缺点。针对无线传感器网络节点能量有限、网络内节点冗余的问题,详细分析了三种网格覆盖算法,并在此基础上提出了高效节能的路由协议EEGC。EEGC路由协议采用了分布式的簇头竞争的方式,网络扩展性更好;同时采用簇内部分覆盖算法,能够有效减少网络内的冗余节点,节省网络能量。仿真结果表明,EEGC协议在延长网络生命周期方面具有明显的优势。观察到无线传感器网络“能量洞”问题对网络生命周期的不利影响,用数学模型解释了能量洞的形成原因,同时证明了能量洞问题在均匀部署的网络中不可解决。在分析了现有的几种能量空洞避免协议的基础上,提出了基于EEGC改进的路由协议EEGC+,该协议的主要思想:一是采用不均匀分簇的,簇半径与簇头汇聚节点之间的距离成反比例线性关系;另外,簇间路由不是简单的构造路由树,而是采用基于最小中继权值的方式选择最佳中继节点,是网络的簇间通信能耗最优化。仿真验证表明,EEGC+相对EEGC、LEACH在延长网络寿命方面具有明显优势,同时,EEGC+的能耗更加均衡。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文研究内容与贡献
• 1.4 本文的组织结构
• 2 无线传感器网络概述
• 2.1 无线传感器网络体系结构
• 2.1.1 WSN网络结构
• 2.1.2 WSN节点结构
• 2.1.3 WSN协议栈
• 2.2 无线传感器网络的特点及应用
• 2.2.1 无线传感器网络的特点
• 2.2.2 与无线自组织通信网络的相似点
• 2.2.3 与无线自组织通信网络的区别
• 2.2.4 无线传感器网络的应用
• 2.3 无线传感器网络的关键技术
• 2.4 本章小结
• 3 无线传感器网络路由协议分析
• 3.1 WSN路由协议的特点及设计要求
• 3.1.1 WSN路由协议的特点
• 3.1.2 WSN路由协议的设计要求
• 3.2 典型的路由协议分析
• 3.2.1 WSN路由协议的分类
• 3.2.2 WSN典型路由协议的比较
• 3.3 本章小结
• 4 一种高效节能的路由协议EEGC
• 4.1 基于分簇的路由协议
• 4.1.1 LEACH协议
• 4.1.2 LEACH-C 协议
• 4.2 三种网格覆盖的多跳路由
• 4.2.1 三种网格覆盖算法分析
• 4.2.2 三种网格的能量消耗
• 4.3 EEGC 路由协议
• 4.3.1 梯度的划分
• 4.3.2 期望分簇数目
• 4.3.3 簇的形成
• 4.3.4 期望工作节点数目
• 4.3.5 最佳通信半径
• 4.3.6 数据传输过程
• 4.4 仿真分析
• 4.4.1 仿真参数和网络模型
• 4.4.2 协议性能分析
• 4.5 本章小结
• +'>5 能耗均衡的路由协议EEGC⁺
• 5.1 能量空洞问题
• 5.1.1 网络模型和能量模型
• 5.1.2 WSN能量洞的形成
• 5.2 WSN 能量洞问题的研究
• 5.2.1 能量洞不可避免
• 5.2.2 WSN能耗均衡的研究
• 5.3 EEGC+路由协议
• 5.3.1 簇的形成
• 5.3.2 簇间路由
• 5.3.3 算法分析
• 5.4 仿真实验
• 5.5 本章小结
• 6 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录
• B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目