基于分簇的无线传感器网络节能路由协议研究与仿真

【摘要】： 无线传感器网络(Wireless Sensor Network简称为WSN)是现代通信网络的一个新的研究领域,它由大量的传感器节点组成,通过无线通信方式自组织形成网络,能够实现对目标的实时监测、采集和信息处理。近年来,随着传感器技术、微电机技术、现代网络和无线通信等技术的进步,无线传感器网络得到了快速发展,应用前景十分广阔,可广泛应用于军事领域、空间探测、辐射检测、洪灾预警、农田管理等众多领域。 本文首先介绍了课题背景,阐述了本课题的研究目的以及意义。接着,对无线传感器网络的体系结构、特点、应用前景以及关键技术做了简要介绍,由于无线传感器网络通常由大量密集的传感器节点构成,节点的能源、计算能力和带宽都非常有限,传统的无线路由协议不适合无线传感器网络。因此,设计能够有效节约能源、延长网络生命周期的路由协议成为了无线传感器网络研究的一个重点。本文主要对无线传感器网络的路由协议进行研究与设计,首先研究了无线传感器网络路由协议的特点、设计目标和分类,通过分析和比较各种无线传感器网络的路由协议,然后选择了典型的分簇式路由协议——LEACH协议作为研究对象。 在LEACH协议中,少量的节点通过一种自组织的方式当选为簇首,收集当前簇内信息并在融合后转发给基站,把网络的负载均匀的分布在整个网络中,大大节约了通信过程中的能量消耗。本文针对簇首选择的随意性和等概率性,对当选的簇首增加一次能量检测,如果不符合要求,就把簇首的权利转移给其它高能量节点,避免低能量节点当选为簇首。另外,簇首与基站直接通信,如果基站距离所有传感器节点都不远的话,LEACH将具有良好的性能。但是当簇首节点远离基站时,簇首将要和基站进行高能耗的通信,这样会造成簇首节点负载过重,加快簇首节点的死亡,缩短网络的生命周期。本文在分析LEACH协议的基础上,以降低簇间远距离通信的能量消耗为主要目标,同时考虑到整个网络中簇首能量消耗的均衡控制,提出了一种以剩余能量为参数限制中间节点选择的簇首多跳算法。本算法在生成包括基站在内的所有簇首节点的最小生成树的过程中,考虑转发数据的中间节点的剩余能量,使簇首之间通过一个多跳的最优路径与基站进行通信,并且避免使用低能量节点,本文在NS2仿真平台下对LEACH协议与改进后的算法进行了仿真实验。仿真结果表明,改进后的算法在减少簇首能量的消耗和均衡网络节点能量消耗方面优于LEACH协议,延长了网络的生命周期。最后,对本论文的工作进行总结,并提出了本课题领域有待于进一步研究的问题。 【关键词】：无线传感器网络 节能 分簇 路由协议 LEACH
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TP212.9;TN915.04
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-23
• 1.1 课题研究的背景10-12
• 1.1.1 课题研究的目的和意义10-11
• 1.1.2 课题研究的现状11-12
• 1.2 无线传感器网络概述12-18
• 1.2.1 无线传感器网络体系结构12-15
• 1.2.2 无线传感器网络的特点15-17
• 1.2.3 无线传感器网络的应用前景17-18
• 1.3 无线传感器网络的关键技术18-21
• 1.4 本文的主要工作及创新21-22
• 1.5 论文结构22-23
• 第2章 无线传感器网络路由协议分析23-42
• 2.1 无线传感器网络路由协议概述23-36
• 2.1.1 无线传感器网络路由协议特点23-24
• 2.1.2 无线传感器网络路由协议设计目标24-26
• 2.1.3 无线传感器网络路由协议分类与介绍26-36
• 2.2 无线传感器网络路由协议的评价36-38
• 2.3 无线传感器网络路由协议比较与评价38-41
• 2.4 本章小结41-42
• 第3章 LEACH协议的研究42-50
• 3.1 LEACH协议的物理基础42
• 3.1 LEACH协议的具体描述42-47
• 3.2.1 LEACH协议簇首的选举方法44-45
• 3.3.2 LEACH协议的工作过程45-47
• 3.3 LEACH协议的优缺点47-48
• 3.4 本章小结48-50
• 第4章 基于LEACH协议的改进协议50-73
• 4.1 能量消耗模型分析50-55
• 4.2 算法设计55-64
• 4.2.1 网络模型与基本假设55
• 4.2.2 簇首选择方法55-57
• 4.2.3 簇间多跳路由算法57-62
• 4.2.4 数据传输阶段62-64
• 4.3 仿真工具NS264-68
• 4.3.1 NS2简介64-65
• 4.3.2 NS2的层次结构65-66
• 4.3.3 NS各组成部分66-67
• 4.3.4 NS2的仿真过程67-68
• 4.4 仿真结果与性能分析68-72
• 4.5 本章小结72-73
• 第5章 总结及展望73-75
• 5.1 总结73-74
• 5.2 展望74-75
• 参考文献75-80
• 致谢80-81
• 攻读硕士学位期间发表的论文和参加科研项目情况81

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