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用于提高无线传感器网络能效的双轮成簇协议之设计

作　者: 陈晓莹
导　师: 陈庆章
学　校: 浙江工业大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 无线传感器网络能效成簇协议平面型拓扑层次型拓扑基于位置的拓扑
分类号: TN929.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

无线传感器网络(WSN)是信息科技发展最活跃和最重要的技术之一,具有广泛的应用前景,其发展和应用将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。如何提高传感器网络的能效是投入大规模商用时首先要解决的问题。国内外学者对传感器网络的能效问题进行了广泛研究,但由于能效问题是涉及到节点、网络、软硬件和算法等各方面的问题,至今还没有令人满意的方案,更没有形成统一的标准。基于此,本文针对能耗最大的通信方面,提出一种基于能效的双轮成簇协议(EEDCP协议),以期能提高能效进而延长网络的运行时间。本文的EEDCP协议是在成簇协议LEACH的基础上的改进协议,主要改进方面有1.在簇头选择算法上,改进簇头选取概率随机的缺陷,引入了剩余能量参数,使网络能耗更均衡。2.在层次型拓扑(成簇)的基础上,允许有基于距离的独立节点存在,独立节点采用平面型拓扑,这种综合型拓扑方式更好的提高了能效。3.在簇间通信时,改单跳直接通信为基于位置的单跳双跳结合通信,即基于位置的路由拓扑结构,以此改善离汇聚节点(Sink)远的节点过早死亡的缺点,均衡网络能耗。4.考虑节点在成簇过程中,彼此间控制消息的通信能耗较大,所以改LEACH协议的每轮成簇为双轮成簇一次,簇头轮换一次,以此来平衡网络的能效性和网络的自组织灵活性。5.在簇内簇间分别运用TDMA和CDMA等信道接入技术,结合休眠机制,时钟同步机制来进一步提高协议的能效性。本文通过Matlab仿真实验,从上述四个方面的改进角度逐一比较LEACH协议和本文的EEDCP协议在性能上的优劣,同时,从多项数据来验证本协议在网络环境参数改变下的适用性。仿真结果表明,本文的EEDCP协议提高网络总能效的性能达33%～82%。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
图索引  11-13
表索引  13-14
第1章绪论  14-21
  1.1 无线传感器网络(Wireless Sensor Networks)概述  14-15
  1.2 传感器节点的体系结构  15-16
  1.3 无线传感器网络的应用前景  16-17
  1.4 无线传感器网络的特点与技术难点  17
  1.5 无线传感器网络的能耗问题  17-19
  1.6 研究内容和论文结构  19-21
    1.6.1 主要研究内容  19-20
    1.6.2 论文结构  20-21
第2章无线传感器网络路由协议的相关研究现状  21-30
  2.1 WSN的三类路由协议  21-24
    2.1.1 平面型路由协议  21-22
    2.1.2 层次型路由协议(成簇协议)  22-23
    2.1.3 基于位置的路由协议  23-24
  2.2 WSN层次路由协议(成簇)的优点及其研究现状  24-30
    2.2.1 WSN层次路由协议的优点  24-25
    2.2.2 WSN层次路由协议的研究现状  25-30
第3章用于提高无线传感器网络能效的双轮成簇协议设计  30-60
  3.1 本章提要  30-31
    3.1.1 本章组织结构  30
    3.1.2 本章解决的问题  30-31
  3.2 模型的建立  31-34
    3.2.1 EEDCP网络模型  31-32
    3.2.2 EEDCP传输模型  32-33
    3.2.3 EEDCP时间轴模型  33-34
  3.3 WSN网络的初始建立  34-35
  3.4 奇数轮簇头选取算法  35-38
    3.4.1 LEACH协议的簇头选取算法  35-36
    3.4.2 最佳P_(opt)的选取  36-37
    3.4.3 EEDCP协议的簇头选取算法  37-38
  3.5 奇数轮成簇策略  38-42
    3.5.1 簇头广播信息  39-40
    3.5.2 普通节点入簇抉择  40-41
    3.5.3 簇头组织其簇成员节点  41-42
  3.6 偶数轮的拓扑网络组织  42-44
    3.6.1 双轮成簇一次，簇头轮换一次的优点  42-43
    3.6.2 双轮成簇一次的过程  43-44
  3.7 EEDCP数据通信问题  44-55
    3.7.1 EEDCP簇内通信  44-49
    3.7.2 EEDCP簇间通信  49-52
    3.7.3 Sink与各传感器节点的通信  52-55
  3.8 EEDCP协议总结  55-60
    3.8.1 EEDCP协议伪代码  55-59
    3.8.2 EEDCP协议总流程图  59-60
第4章协议仿真与结果分析  60-82
  4.1 仿真环境  60-61
  4.2 EEDCP各版本的定义及其与LEACH协议的性能比较  61-69
    4.2.1 EEDCP版本1对比LEACH协议  61-63
    4.2.2 EEDCP版本2对比版本1  63-64
    4.2.3 EEDCP版本3对比版本2  64
    4.2.4 EEDCP版本4对比版本3  64-69
  4.3 EEDCP与LEACH和DIRECT性能比较  69-72
  4.4 EEDCP对不同参数的适用性  72-82
    4.4.1 EEDCP对网络密度的适用性  73-74
    4.4.2 EEDCP对数据量的适用性  74-75
    4.4.3 EEDCP对初始能量的适用性  75-82
第5章总结与展望  82-85
  5.1 总结  82-83
  5.2 展望  83-85
参考文献  85-90
致谢  90-91
攻读学位期间发表的学术论文目录  91

用于提高无线传感器网络能效的双轮成簇协议之设计

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