异构无线传感器网络中分簇路由算法的研究

论文摘要

随着微机电系统的迅速发展,传感器网络作为一种以采集数据的技术手段,无论在军事领域还是民用领域都受到了越来越多关注。无线传感器网络由大量集成有传感、数据处理单元和无线通信模块的微小节点组成,通过自组织方式构成网络,可以将所在周边环境信息通过网络传感及时有效地传输到信息接收端,以提高传感器监测面积和性能,可以被广泛地应用于国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等领域。然而,由于传感器节点主要依靠电池供给能量,对其进行能量补充比较困难,网络生存周期就成为了无线传感器网络的关键性能指标之一。在目前的研究中,分簇路由算法被认为是进行高效能量管理,延长网络生存周期的最有效途径之一。本文针对异构无线传感器网络的特点,对分簇路由算法进行研究,从分簇算法的角度进行探讨,主要在以下四个方面做出了有益的尝试:第一,论述了传感器网络区别于其它无线网络（如Ad-Hoc）的一些特点,从跨层设计的角度出发对现有的分簇算法,包括平面路由算法和分簇路由算法进行了分析,综述了它们的优点以及性能上的一些不足,为设计新的分簇路由算法奠定基础。第二,分析了不同数据融合度下分簇方式的能量消耗情况,并与直接通信方式的能量消耗进行了对比。通过分析对比,指出了数据融合对分簇路由的重要性,得出了不同数据融合度下分簇路由在能量管理上的优化程度。第三,由于当前针对分簇路由算法的研究主要集中在同构网络中,且在簇首选取概率的设计上均是启发式的经验表达,并没有一个优化的理论计算过程。针对这样一些不足,本文结合异构无线传感器网络的特点,对优化的簇首选取概率进行理论推导计算,以此为基础提出了一种新的分簇路由算法,提高了异构网络环境下的分簇路由算法性能。第四,网络覆盖问题是设计无线传感器网络需要解决的最基本的问题之一,当前的路由算法均没有针对覆盖保持来展开研究。本文作者将覆盖保持的思想引入到分簇路由算法中,以此为基础提高异构网络环境下的分簇路由算法性能。该算法尽力将能量消耗按照覆盖率保持的重要性分摊在各个传感器之间,采用这种方法延长对覆盖特性关键的节点的生存时间,以提高覆盖率保持的性能。本文最后对所做的工作进行了总结,并提出了一些需要进一步研究的问题。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 无线传感器网络概述
• 1.2.1 无线传感器网络结构
• 1.2.2 无线传感器网络的协议框架
• 1.2.3 无线传感器网络的应用
• 1.3 无线传感器网络的异构性
• 1.4 无线传感器网络设计中的挑战
• 1.5 研究内容以及本文组织
• 第二章 无线传感器网络的典型路由算法
• 2.1 背景介绍
• 2.2 典型平面路由算法
• 2.2.1 基于能量的路由算法
• 2.2.2 基于地理位置的路由算法
• 2.2.3 基于数据的路由协议
• 2.2.4 基于业务信息的路由协议
• 2.3 典型的分簇路由算法
• 2.4 小结
• 第三章 数据融合对分簇路由算法性能影响的研究
• 3.1 研究背景
• 3.2 无线传感器网络能量消耗模型
• 3.3 数据融合对分簇路由性能影响的分析
• 3.3.1 LEACH 算法能量消耗模型
• 3.3.2 数据融合下的性能分析
• 3.4 性能仿真及分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 异构网络中能量有效的分簇路由算法
• 4.1 研究背景
• 4.2 问题的提出
• 4.2.1 LEACH 算法的分析
• 4.2.2 设计目标
• 4.3 CLEEC 算法
• 4.3.1 系统模型
• 4.3.2 簇首选择算法
• 4.3.3 最优参数估计
• 4.4 仿真分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于覆盖保持的分簇路由算法
• 5.1 研究背景
• 5.2 无线传感器网络覆盖
• 5.2.1 网络覆盖的基本概念
• 5.2.2 已有覆盖调整策略
• 5.3 CPC 算法
• 5.3.1 覆盖模型
• 5.3.2 簇首选择算法
• 5.4 仿真分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 分簇路由算法的仿真实现
• 6.1 CLEEC 算法性能仿真
• 6.2 CPC 算法性能仿真
• 第七章 全文总结
• 7.1 总结与结论
• 7.2 未来研究工作
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历
• 在校期间研究成果
• 本文作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目