基于分簇的无线传感器网络路由节能技术研究

【摘要】： 由于传感器技术、低能耗电子和射频技术的进步,低能耗、廉价的无线传感器得以大规模应用,相应的无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)应运而生。无线传感器网络是由大量具有通信与计算能力的微小传感器节点密集布设在无人值守的监控区域而构成的,能够根据环境自主完成指定任务的“智能”自治测控网络系统。无线传感器网络集成了传感器、分布式信息处理、嵌入式计算和无线通信四种技术,是一种全新的信息获取、处理和传输技术。无线传感器网络的随机布设、自组织、环境适应等特点使其在军事、环境、医疗、家庭和其它商业应用领域有广阔的应用前景和很高的应用价值,因此引起了工业界和学术界的高度重视。 本文重点研究无线传感器网络的路由算法,无线传感器网络节点数量庞大、单个节点资源极其有限,因此,节能技术是无线传感器网络所必须关注的最重要的环节,其路由算法设计的首要目标是提高能量有效性,延长网络生命周期。本文从无线传感器网络路由协议和节能优化的角度出发,进行了如下研究: 第一,总结了无线传感器网络的发展历程、概念、结构、特点,介绍了无线传感器网络各种相关的针对数据处理以及数据传输中采用的节能技术,研究了无线传感器网络的协议体系和路由算法的分类,分析和比较了目前国外学者提出的几种有代表性的路由算法如泛洪式路由算法,层次式路由算法,以数据为中心的路由算法等,并通过分析比较了各自的性能及适用场合。 第二,有针对性的选择了层次式分簇路由算法LEACH作为研究重点,指出了其存在的问题,并针对其因为簇首选举的随机性而导致节点能量分布不均的缺点,提出了一种基于自适应让位策略的分簇算法,通过设定一个能量门限来衡量簇首的健康度,并采用让位策略来使那些趋于衰亡的簇首能找到合适的继任者来担当簇首,保证数据传输的可靠性,该算法能够较LEACH获得更长的网络寿命,并提高了网络的吞吐量。 第三,由于无线传感器网络与物理通信环境的耦合程度远高于其他网络,而无线传感器网络的物理通信环境较为复杂,且动态性较强。为了有效的节省能量,保证传输的可靠性,无线传感器网络的路由算法设计上应该考虑物理通信环境的特点,如:射频传播不规则性,多径衰落现象等。因此,可以考虑结合物理层采用特定的算法来保障和提高网络传输的质量和效率,本文将无线通信中成熟的多输入多输出(MIMO)技术引入到单天线节点的无线传感网中,有选择的取代传统的单输入单输出(SISO)传输方式。在综合考虑了节点传输能量和系统能量因素后,得到了MIMO和SISO两种传输方式各自的适用范围,并在此基础上提出了一种基于分簇的协作式虚拟MIMO算法,该算法分别利用了两种传输方式的优点来达到能耗最低,同时该算法把簇首的能量消耗分配给多个协作节点,提高了网络的负载均衡,延长了网络寿命。 第四,对文中所提算法在NS2平台上进行仿真验证,通过对仿真结果的分析和比较,表明本文提出的基于自适应让位策略的分簇路由算法和虚拟MIMO分簇路由算法可以有效的延长网络生存时间,实现节能的技术目标。 在最后部分,总结了全文,展望了未来的研究方向。 【关键词】：无线传感器网络 节能 分簇算法 自适应让位 虚拟MIMO
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TP212.9;TN929.5
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-8
• 缩略语表8-12
• 第一章 绪论12-16
• 1.1 选题背景与课题意义12-13
• 1.1.1 无线传感器网络介绍及研究意义12
• 1.1.2 无线传感器网络的特点12-13
• 1.2 研究内容与本文组织13-16
• 第二章 无线传感器网络及其节能技术综述16-29
• 2.1 无线传感器网络概述16-17
• 2.2 无线传感器网络研究难点17-18
• 2.3 无线传感器网络能耗特点18-19
• 2.4 无线传感器网络节能技术19-28
• 2.4.1 针对数据处理的节能技术20-22
• 2.4.2 针对数据传输的节能技术22-26
• 2.4.3 其他相关技术研究26-28
• 2.5 本章小结28-29
• 第三章 无线传感器网络路由算法综述29-44
• 3.1 路由算法的分类29-30
• 3.1.1 泛洪式路由算法29
• 3.1.2 层次式路由算法29-30
• 3.1.3 以数据为中心的路由算法30
• 3.1.4 基于位置信息的路由算法30
• 3.2 典型路由算法的分析30-35
• 3.2.1 泛洪式路由算法30-33
• 3.2.2 层次式路由算法33-34
• 3.2.3 基于位置信息的路由算法34-35
• 3.3 协议的性能比较35-36
• 3.4 LEACH 算法的分析与研究36-43
• 3.4.1 分簇的层次路由算法36-38
• 3.4.2 无线传感器网络路由的数学描述38
• 3.4.3 LEACH 路由算法38-39
• 3.4.4 LEACH 算法的应用场合39-40
• 3.4.5 簇形成阶段40-41
• 3.4.6 稳定工作阶段41-43
• 3.5 本章小结43-44
• 第四章 基于自适应让位策略的无线传感网分簇算法44-53
• 4.1 选择LEACH 算法作为研究和改进对象的原因44-46
• 4.2 自适应让位策略的分簇算法46-49
• 4.2.1 算法实现过程46
• 4.2.2 基于让位策略的算法分析46-49
• 4.3 算法仿真49-52
• 4.3.1 NS2 仿真环境49
• 4.3.2 仿真场景和参数49-50
• 4.3.3 仿真结果和分析50-52
• 4.4 本章小结52-53
• 第五章 基于分簇的虚拟MIMO 无线传感器网络算法53-72
• 5.1 MIMO 系统概述53-57
• 5.1.1 多天线系统和MIMO 分集技术53
• 5.1.2 MIMO 系统建模分析53-55
• 5.1.3 MIMO 系统信道容量55-57
• 5.2 空时编码技术57-62
• 5.2.1 空时编码技术概述57-58
• 5.2.2 常用空时编码技术58-62
• 5.2.3 虚拟MIMO 算法中的编码方案62
• 5.3 基于分簇的虚拟协作式MIMO 算法62-70
• 5.3.1 设计思路和难点62-63
• 5.3.2 MIMO 系统的能量模型63-66
• 5.3.3 基于分簇的虚拟MIMO 算法66-68
• 5.3.4 算法的关键问题68
• 5.3.5 算法的性能分析68-70
• 5.4 算法仿真70-71
• 5.4.1 NS2 仿真环境70
• 5.4.2 仿真场景和参数70
• 5.4.3 仿真结果和分析70-71
• 5.5 本章小结71-72
• 第六章 总结与展望72-74
• 6.1 结论72-73
• 6.2 未来工作展望73-74
• 参考文献74-78
• 致谢78-79
• 攻读硕士学位期间发表或录用的学术论文79-81

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