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无线传感器网络中空间相关性分簇算法的研究

作　者: 杨松
导　师: 陈志奎
学　校: 大连理工大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 无线传感器网络 分簇路由 空间相关性 Slepian-Wolf编码 估算
分类号: TN929.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


无线传感器网络是由大量的传感器节点组成的一种自组织多跳网络,路由算法的研究是无线传感器网络研究的一个热点。考虑到传感器节点能量有限,电池不宜更换,因此设计能量有效的路由算法是路由算法研究的重点。分簇路由被认为是比较好的解决能量路由的策略,与平面路由相比,分簇路由具有简单的拓扑结构,更大的数据融合的机会、休眠成员节点以节省能量等特性,因此成为无线传感器网络中路由算法研究的重点。本文首先介绍了无线传感器网络的相关内容,包括无线传感器网络的概念、特点、应用以及研究中的关键技术。接着详细地分析了无线传感器网络中的路由算法,着重介绍了分簇路由算法的特点及原则,讨论并分析了包括LEACH协议在内的几种经典的分簇方法,并指出了各种算法存在的优缺点,为本文提出的分簇方法打下了基础。结合已有的分簇方法,考虑到监测区域内数据存在的空间相关性,本文所做的工作首先提出了一种基于网格的数据空间相关性的分簇方法(Grid-based Spatial Correlation Clustering, GSCC), GSCC通过划分网格的方法使簇头的部署尽量均匀,通过簇头与普通节点的交互把具有较高数据相似度的节点划分为一个簇。接着本文提出了两种在基于GSCC成簇之后的数据收集策略,首先讨论了如何将Slepian-Wolf编码原理应用于簇的稳定阶段,研究簇内成员节点如何编码,Sink节点如何解码等。其次提出了一种基于数据空间相关性的估算方式(Spatial Correlation Clustering Approximation Framework, SCCAF), SCCAF允许一部分节点休眠,另一部分节点传输数据,这样在保证精确度的同时大大的节省了能量,延长了网络的生存周期。本文同时也通过数学证明的方式,推导出了根据GSCC和SCCAF最优的分簇的个数以及同一个簇内最少的传输数据的节点数量。最后,本文通过Matlab仿真实验对GSCC进行了实验,实验表明,在GSCC基础之上建立的SCCAF比LEACH协议具有更高的节能性。同时,本文也对SCCAF进行了实物实验,通过搭建Jennic节点测量不同温度的实验场景得出的实验结果可以看出,SCCAF较CAS A (Clustering-based Approximate Scheme for Data Aggregation)估算机制具有更高的数据精确性。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-16
  1.1 课题研究背景  9-14
    1.1.1 无线传感器网络的概念  9-11
    1.1.2 无线传感器网络的特点  11
    1.1.3 无线传感器网络的应用  11-13
    1.1.4 无线传感器网络的关键技术  13-14
  1.2 本文的工作  14-15
  1.3 本文的组织结构  15-16
2 无线传感器网络的分簇路由算法  16-24
  2.1 无线传感器网络路由算法概述  16-17
  2.2 分簇算法的基本概念  17-18
  2.3 设计分簇算法应注意的问题  18-19
  2.4 经典分簇路由算法  19-23
    2.4.1 LEACH  19-21
    2.4.2 PEGASIS  21-22
    2.4.3 HEED  22
    2.4.4 TEEN  22
    2.4.5 最小ID(LID)算法  22
    2.4.6 最大连通度算法(MAXD)  22-23
    2.4.7 GAF算法  23
  2.5 本章小结  23-24
3 基于空间相关性分簇算法的研究及Slepian-Wolf编码的应用  24-33
  3.1 无线传感器网络中基于数据时空相关性分簇的讨论  24-25
  3.2 WSN中空间相关性的公式化描述  25
  3.3 基于网格的空间相关性分簇方法  25-28
  3.4 GSCC相关细节的讨论  28-29
  3.5 分簇式Slepian-Wolf编码的应用  29-32
    3.5.1 簇头节点压缩数据概述  29-30
    3.5.2 Slepian-Wolf编码介绍及应用  30-32
  3.6 本章小结  32-33
4 基于数据空间相关性的分簇估算框架(SCCAF)  33-42
  4.1 无线传感器网络中的估算机制研究  33-34
  4.2 SCCAF机制概述  34-36
  4.3 关于SCCAF实现细节的讨论  36-39
    4.3.1 相关参数的讨论  36-37
    4.3.2 簇头节点的数据处理  37
    4.3.3 簇的维护和调整  37-39
  4.4 SCCAF的能量消耗分析  39-40
  4.5 SCCAF的精确性分析  40-41
  4.6 本章小结  41-42
5 实验仿真  42-55
  5.1 Matlab仿真实验  42-46
  5.2 Jennic节点产品与关键技术简介  46-48
  5.3 实验场景设计及实现  48-51
    5.3.1 实验场景设计  48-49
    5.3.2 实验程序分析  49-51
  5.4 实验结果  51-54
  5.5 本章小结  54-55
结论  55-57
参考文献  57-60
附录A Jennic节点程序主要代码  60-69
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  69-70
致谢  70-72

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 无线通信 > 移动通信
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