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无线传感器网络中基于簇的路由协议研究

作　者: 郄志涛
导　师: 张雪峰
学　校: 东北大学
专　业: 运筹学与控制论
关键词: 传感器网络路由协议簇算法网络生命周期
分类号: TP212.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着无线通信、低功耗和高度集成的数字电子产品与微电机系统技术的发展,由传感器、无线通信和网络三大技术融合而成的无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)引起了人们的广泛关注。无线传感器网络在军事国防、环境监测、生物医疗等领域具有广阔的应用前景。但是由于传感器节点采用能量有限的电池供电,并且无线传感器网络中的大量传感器节点随机分布在监测区域,很难对每个节点进行维护和能量补充,无线传感器网络存在严重的能量约束。所以,无线传感器网络的首要目标就是要设计高效的,能量均衡的路由协议。考虑到上述的研究热点,本文首先对现有的路由协议进行了介绍,简要分析了其在节省功耗,优化网络性能方面所采取的有效措施及优缺点。接着借鉴现有路由协议的思想,分别提出了基于LEACH协议改进的静态单元格分簇路由协议(a static cell-based clustering routing protocol, LEACH-SC),基于能量均衡的链式分簇无线传感器网络路由协议(an energy-balanced chain-cluster routing protocol, EBCRP)和高能效的无线传感器网络分簇路由协议(an efficient energy cluster-based routing protocols, EECRP) LEACH-SC协议网络拓扑采用静态单元格,簇头选举采用最大能量选择机制,克服了LEACH协议的一些缺点,延长了网络生命周期；EBCRP协议在网络初始化阶段把整个网络分成若干个簇,根据阶梯算法在簇内组建路由链,然后在每个链上选取几个候备簇头轮换与基站通信,以此达到能量均衡的效果；EECRP协议是用一个非均匀分簇算法将网络组织成大小不等的簇,以解决多跳路由的传感器网络中常见的“热区”问题,然后用PSO算法对形成的簇进行最优簇头的选择,避免盲节点的过早出现。并通过仿真试验,进行了性能比较分析。仿真结果表明,该路由协议有效地平衡了节点的能量消耗,显著地延长了网络的生命周期和存活时间。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-23
  1.1 无线传感器网络的研究背景  11-17
    1.1.1 无线传感器网络的概念及特点  11-12
    1.1.2 无线传感器网络的体系和节点结构  12-14
    1.1.3 无线传感器网络的应用领域  14-16
    1.1.4 无线传感器网络的性能评价  16-17
  1.2 无线传感器网络的国内外研究现状  17-18
  1.3 无线传感器网络的关键技术  18-20
  1.4 课题的研究目的及意义  20-21
  1.5 本文的主要内容及论文结构  21-23
第2章无线传感器网络路由协议  23-41
  2.1 无线传感器网络路由协议概述  23
  2.2 无线传感器网络路由协议设计的特点与设计要求  23-26
    2.2.1 无线传感器网络的路由协议与传统网络的不同  23-24
    2.2.2 无线传感器网络的路由协议的特点  24-25
    2.2.3 无线传感器网络的路由协议的设计要求  25-26
  2.3 无线传感器网络路由协议分类  26-27
  2.4 典型无线传感器网络路由协议分析  27-39
    2.4.1 洪泛和闲聊协议  27-28
    2.4.2 定向扩散协议  28-29
    2.4.3 SPIN协议  29-30
    2.4.4 谣传路由协议  30-31
    2.4.5 LEACH协议  31-32
    2.4.6 PEGASIS协议  32-34
    2.4.7 TEEN协议  34-35
    2.4.8 HEED协议  35
    2.4.9 EEUC协议  35-39
  2.5 基于簇的无线传感器网络路由协议性能比较  39-40
  2.6 本章小结  40-41
第3章 LEACH协议的研究与改进  41-51
  3.1 LEACH协议的优缺点  41-43
  3.2 基于LEACH的改进协议LEACH-SC  43-50
    3.2.1 LEACH-SC能量消耗模型  43-44
    3.2.2 LEACH-SC最优分簇个数的计算  44-46
    3.2.3 簇的静态单元格划分方式  46-47
    3.2.4 最大能量簇头选举方式  47-48
    3.2.5 算法仿真和性能比较  48-50
  3.3 本章小结  50-51
第4章路由协议EBCRP的设计与仿真  51-61
  4.1 EBCRP网络模型  51-53
    4.1.1 EBCRP网络模型  51-52
    4.1.2 数据融合技术  52-53
  4.2 EBCRP协议  53-57
    4.2.1 链式簇形成阶段  53-56
    4.2.2 簇头的选举阶段  56
    4.2.3 稳态通信阶段  56-57
  4.3 仿真结果与分析  57-60
    4.3.1 分簇数量与后备簇头数对网络性能的影响  58
    4.3.2 节能效果分析  58-59
    4.3.3 网络生命周期  59-60
  4.4 本章小结  60-61
第5章 EECRP协议的设计与仿真  61-69
  5.1 PSO算法概述  61-62
  5.2 EECRP协议  62-66
    5.2.1 非均匀簇的形成阶段  63-64
    5.2.2 簇头选举阶段  64-66
    5.2.3 簇头间多跳路由形成阶段  66
  5.3 仿真结果与分析  66-68
    5.3.1 节能效果分析  66-68
    5.3.2 网络生命周期  68
  5.4 本章小结  68-69
第6章结论与展望  69-71
参考文献  71-77
致谢  77-79
作者攻读硕士学位期间主要成果  79

无线传感器网络中基于簇的路由协议研究

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