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基于蜂窝分簇WSN拓扑控制研究

作　者: 邹汪平
导　师: 邹海
学　校: 安徽大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 无线传感器网络拓扑控制分簇不均蜂窝 LEACH
分类号: TP212.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着现代微电子技术、无线通信技术、计算机网络技术等长足的进步以及因特网的持续发展,传感器信息获取技术也因此得以迅猛发展。发展方向从单一化模式转向集成化、微型化、智能化以及网络化。目前传感器信息获取技术已成为信息获取领域最重要和最基本的技术之一。无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)技术近些年来广受国际学术界和工业界关注,在工业、军事、环境等领域具有广泛的应用前景。节点定位作为无线传感器网络的关键支撑技术和研究热点,对于无线传感器网络的基本理论方法和应用基础研究都有重要意义。在WSN中,传感器节点一般都是由电池供电的嵌入式设备构成,具有低成本,体积小等特点。但受到电池供电能力的限制,节点在计算能力和通信能力方面的性能十分有限。因此,网络拓扑结构的重要性对于自组织形式的无线传感器尤为重要。这不仅可以提高网络的路由协议以及MAC协议的效率,还可以在数据的融合、时间同步以及目标的定位等诸多方面提升性能,最终节约能耗延长整个网络的生存周期。所以,无线传感器的网络拓扑结构成为其领域中的一个研究重点。本文首先介绍了无线传感器的相关概念,阐述了其拓扑控制的研究背景与现状,对WSN的经典分簇算法进行的详细的描述。针对经典的LEACH算法中所存在若干不足之处：分簇不均、簇首节点的选择方式不够合理以及通信的过程中所产生的能耗问题等等,提出了一种基于蜂窝分簇的WSN拓扑控制算法：LEACH-Z算法。该算法将监测区域划分成若干个正六边形子区域,将整个网络划分成蜂窝状结构,让分簇的过程能够尽可能保持均匀；并在簇首节点的生成机制上,充分考虑节点的剩余能量和地理位置两个因素。由此提出了一种依托中继节点来转发数据信息从而使得簇首节点不必直接与基站节点通信以减少能耗的新机制。再通过利用Network Simulator2(NS2)网络模拟器平台对提出的改进协议进行仿真实验,并将仿真实验的结果与LEACH算法进行比对。实验表明：基于LEACH算法的改进算法——LEACH-Z,节点能量负载均衡化更明显、节点与网络的生存周期更长,网络吞吐量上有显著改进。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-7
目录  7-10
第一章绪论  10-12
  1.1 研究背景与意义  10
  1.2 研究内容与方法  10-11
  1.3 论文组织结构  11-12
第二章 WSN拓扑控制研究现状  12-29
  2.1 WSN拓扑控制  12-18
    2.1.1 WSN的结构  12-13
    2.1.2 WSN存在的约束  13-15
    2.1.3 WSN拓扑结构比较  15-18
  2.2 WSN分簇算法的相关背景  18-20
  2.3 LEACH分簇算法简介与分析  20-23
    2.3.1 算法介绍  20
    2.3.2 算法描述  20-21
    2.3.3 算法分析  21-23
  2.4 其他几种典型的分簇算法  23-27
    2.4.1 HEED分簇算法  23-24
    2.4.2 LEACH-C和LEACH-F分簇算法  24-25
    2.4.3 ACE分簇算法  25
    2.4.4 CEFL分簇算法  25-26
    2.4.5 EECS分簇算法  26-27
    2.4.6 DAM分簇算法  27
  2.5 蜂窝技术概述  27-28
  2.6 小结  28-29
第三章基于蜂窝分簇WSN拓扑结构的设计  29-46
  3.1 LEACH算法的不足  29-31
  3.2 分簇改进方案探讨  31-36
    3.2.1 圆形分簇  31-32
    3.2.2 正方形分簇  32-33
    3.2.3 正六边形分簇  33-34
    3.2.4 三种方案整体比较  34-36
  3.3 LEACH-Z网络拓扑结构的生成过程  36-45
    3.3.1 LEACH-Z分簇机制的设计  36-38
    3.3.2 LEACH-Z簇首节点的选择机制设计  38-39
    3.3.3 拓扑结构的建立过程  39-45
      3.3.3.1 拓扑结构的初始建立阶段  39-41
      3.3.3.2 选举簇首节点阶段  41-42
      3.3.3.3 节点入簇及中继节点的选择  42-44
      3.3.3.4 网络的稳定传输阶段  44-45
  3.4 小结  45-46
第四章 LEACH-Z算法的仿真  46-63
  4.1 仿真工具介绍  46-53
    4.1.1 仿真工具的选择  46-47
    4.1.2 仿真工具NS2简介  47-48
    4.1.3 NS2仿真方法和流程  48-50
    4.1.4 NS2的构件库  50-51
    4.1.5 NS2源码目录结构  51
    4.1.6 NS2移动节点概述  51-53
  4.2 MIT-uAMPS在NS2中的修改与扩展  53-56
  4.3. MIT-uAMPS在NS2中的移植与安装  56-59
  4.4 LEACH-Z仿真代码扩展  59-62
  4.5 Leach-Z仿真及数据处理  62
  4.6 小结  62-63
第五章 LEACH-Z算法的仿真结果分析  63-70
  5.1 能耗分析  63-65
    5.1.1 一阶无线模型  63-64
    5.1.2 节点能耗分析  64-65
  5.2 NS2仿真结果的分析  65-68
  5.3 LEACH-Z算法优缺点分析  68-69
  5.4 小结  69-70
第六章研究工作总结与展望  70-72
  6.1 研究工作总结  70-71
  6.2 展望  71-72
参考文献  72-77
致谢  77-78
攻读硕士学位期间发表的学术论文  78

基于蜂窝分簇WSN拓扑控制研究

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