无线传感器网络能耗均衡层次路由协议研究

论文摘要

随着传感器技术、微机电系统、现代网络和无线通信等技术的进步,无线传感器网络孕育而生。经过近几年的研究和发展,无线传感器网络已经在环境监测、医疗监护、城市交通管理、仓储管理、军事侦察等领域初显成效。路由技术作为无线传感器网络研究（Wireless Sensors Networks, WSN）的关键技术之一,对WSN的发展起着至关重要的作用。在众多的WSN路由算法中,基于分簇的层次路由协议在提高WSN能耗效率和扩展性方面比较有效,成为当前WSN研究的一个热点。本文在分析WSN结构、WSN节点结构、WSN通信协议栈、WSN能耗特征等理论基础上,对基于平面的路由协议路由机制、基于层次的路由协议的簇数确定方法、成簇机制、路由机制、传输冲突解决机制、能耗均衡策略进行了详细的分析研究。重点研究了现有典型层次路由协议的能耗均衡策略中存在的问题。针对现有的WSN层次路由协议中存在的仅考虑从簇首或簇内节点单方面均衡传感器网络能耗的不足,本文提出了一种以节约、均衡WSN能量和延长WSN生命周期为目标的非均匀分簇路由协议—（Energy Balanced Uneven Clustering, EBUC）路由协议。EBUC路由协议采用将WSN非均匀分区的方法,解决了簇首间能耗不均衡的问题,同时,该协议在WSN中构建中间层来负责选簇,解决了现有选簇方法导致普通节点间能耗不均衡的问题,最终实现了对WSN的整体能耗均衡。本文采用NS-2仿真软件对EBUC协议进行了仿真实验,重点对WSN生命周期、系统能耗等参数进行仿真分析,并将结果与LEACH协议、HEED协议、EEUC协议进行了对比。实验结果表明,EBUC协议不仅均衡了WSN簇首能耗,而且解决了由选簇造成普通节点能耗不均衡的问题。EBUC协议从整体均衡了WSN能耗负载,提高了WSN的能量效率,延长了100-200轮WSN生命周期,具有重要的理论和实用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 前言
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 课题研究目的与意义
• 1.3 课题研究现状
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.4 论文主要研究内容
• 1.5 论文结构安排
• 2 WSN及其路由协议相关理论概述
• 2.1 无线传感器网络概述
• 2.2 无线传感器网络体系结构
• 2.2.1 无线传感器网络体系架构
• 2.2.2 无线传感器节点结构
• 2.3 无线传感器网络通信协议栈
• 2.4 无线传感器网络特征
• 2.4.1 无线传感器网络特点
• 2.4.2 无线传感器网络能耗特征
• 2.5 无线传感器网络路由协议
• 2.5.1 平面路由协议
• 2.5.2 层次路由协议
• 2.5.3 典型层次路由协议对比分析
• 2.6 本章小结
• 3 EBUC路由协议模型构建
• 3.1 EBUC协议思想阐述
• 3.2 协议相关概念描述
• 3.3 EBUC协议模型构建
• 3.3.1 物理模型
• 3.3.2 抽象模型
• 3.3.3 相关定义描述
• 3.4 WSN数据包格式规定
• 3.5 EBUC路由协议构成
• 3.5.1 区域划分协议
• 3.5.2 中间层构建协议
• 3.5.3 中间层选簇协议
• 3.5.4 动态路由构建协议
• 3.6 本章小结
• 4 EBUC路由协议详细设计
• 4.1 EBUC协议总流程
• 4.2 EBUC协议路由层设计
• 4.2.1 区域划分协议流程设计
• 4.2.2 中间层构建协议流程设计
• 4.2.3 EBUC协议簇数确定
• 4.2.4 协议选簇过程设计
• 4.2.5 协议路由选择过程设计
• 4.3 无线传播模型选择
• 4.4 EBUC协议数据链路模型设计
• 4.5 本章小结
• 5 EBUC协议仿真系统实现与性能分析
• 5.1 仿真环境介绍
• 5.2 仿真系统设计
• 5.2.1 仿真系统构建流程
• 5.2.2 仿真参数选择
• 5.2.3 仿真场景实现
• 5.2.4 核心模块实现
• 5.3 系统仿真流程
• 5.4 仿真系统效果
• 5.5 性能评估与分析
• 5.5.1 性能评价指标
• 5.5.2 仿真结果分析
• 5.6 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 本文总结
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 硕士期间发表论文及获奖情况