无线传感器网络节能分簇路由算法的研究

【摘要】：无线传感器网络是一种由大量传感器节点以自组织多跳方式构成的复杂网络。作为无线传感器网络的底层硬件,传感器节点在信号的感知、收集、传输过程中均存在能量消耗,由于节点能量有限,必须采取有效的节能手段才能延长网络生命周期。路由算法作为无线传感器网络一种重要的节能技术,一直备受关注。在网络中,分簇路由算法凭借其高效的节点管理制度显得优势尤为突出。本文对分簇路由算法进行研究,以能量高效、能耗均匀为目的提出两种节能分簇路由算法,主要内容如下:(1)针对典型的分簇路由算法:LEACH、HEED、EECS、EEUC进行分析,通过对簇首选举、簇结构形成、数据传输三个方面进行探讨,得出它们的优缺点及适用性。(2)针对典型LEACH算法存在簇首数目自由度大、空间分配不均、频繁重组簇开销大等问题,提出一种基于核模糊C均值(Kernel Fuzzy C-means,KFCM)聚类的LEACH改进算法(Energy Saving Clustering Algorithm based on KFCM,ESCAK)。该算法运用KFCM算法对节点坐标进行聚类,将整个网络分成规模相近、较均匀的簇,接着在簇内以几何中心、节点能量等因素为依据选择优质簇首。仿真结果表明,ESCAK算法在能耗均衡、网络开销、节点死亡时间等方面都优于LEACH算法。(3)针对窖池物联网测温系统中传感器节点位置、能量等受限因素导致能量消耗不均而过早死亡的问题,提出了一种基于差分(Differential Evolution,DE)优化的非均匀分簇算法(Uneven Clustering based on DE,UCDE)。该算法省去了传统分簇路由算法中每“轮”频繁选簇的机制,而是从系统的稳定性出发,采用差分进化算法以节点覆盖率为目标函数一次性选择固定数目的簇首。并且对簇首进行梯度等级划分,采用具有强针对性的簇间多跳机制,同时通过能量差异化匹配策略,合理地分配簇首节点与测温节点的初始能量,延长网络寿命。仿真结果表明,UCDE算法在优化簇结构、均衡节点能耗等方面都有一定优势。 【关键词】：无线传感器网络 分簇路由算法 节能 核模糊C均值 差分进化
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN929.5;TP212.9
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-7
• 第一章 绪论7-13
• 1.1 论文研究背景及意义7-8
• 1.2 无线传感器网络概述8-10
• 1.2.1 无线传感器网络的概念8-9
• 1.2.2 无线传感器网络的能耗分析9
• 1.2.3 无线传感器网络的关键技术9-10
• 1.3 论文相关研究现状10-11
• 1.4 论文主要研究内容及结构安排11-13
• 第二章 无线传感器网络分簇路由算法13-23
• 2.1 分簇路由算法概述13-15
• 2.1.1 分簇路由算法的概念13-14
• 2.1.2 分簇路由算法的性能评估指标14-15
• 2.1.3 分簇路由算法的优点15
• 2.2 典型分簇路由算法15-20
• 2.2.1 LEACH算法15-17
• 2.2.2 HEED算法17-18
• 2.2.3 EECS算法18-19
• 2.2.4 EEUC算法19-20
• 2.3 典型分簇路由算法对比20-21
• 2.4 小结21-23
• 第三章 基于KFCM聚类的LEACH改进算法研究23-39
• 3.1 LEACH算法回顾与分析23
• 3.1.1 LEACH算法回顾23
• 3.1.2 LEACH算法分析23
• 3.2 ESCAK算法描述23-31
• 3.2.1 相关模型24-25
• 3.2.2 KFCM的均匀分簇机制25-27
• 3.2.3 最优聚类数目27-29
• 3.2.4 差异化簇首选择机制29-31
• 3.3 算法仿真及分析31-37
• 3.3.1 仿真环境与参数设置31-32
• 3.3.2 仿真结果与分析32-37
• 3.4 小结37-39
• 第四章 基于差分优化的非均匀分簇算法应用研究39-53
• 4.1 UCDE算法应用背景分析与策略39-41
• 4.1.1 网络布局分析39-40
• 4.1.2 网络特性分析40
• 4.1.3 算法策略40-41
• 4.2 UCDE算法描述41-46
• 4.2.1 相关模型41-42
• 4.2.2 DE的非均匀分簇机制42-43
• 4.2.3 簇间梯度多跳机制43-45
• 4.2.4 能量差异化匹配策略45-46
• 4.3 算法仿真及分析46-51
• 4.3.1 仿真环境与参数设置46
• 4.3.2 仿真结果与分析46-51
• 4.4 小结51-53
• 第五章 结论与展望53-55
• 5.1 结论53
• 5.2 展望53-55
• 致谢55-56
• 参考文献56-59
• 附录: 作者在攻读硕士学位期间发表的论文及成果59

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