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无线传感器网络路由算法研究

作　者: 秦昌建
导　师: 王锁萍
学　校: 南京邮电大学
专　业: 信息网络
关键词: 无线传感器网络 LEACH LEACH-P 负载平衡负载舒缓
分类号: TP212.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

传感器技术、微机电系统(Micro-Electro-Mechanism,MEMS)、现代网络技术以及无线通信等技术的进一步发展,使得无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)的应用越来越广泛。但传感器节点存在电力受限且计算资源十分有限的严重问题,目前比较流行的是以层次式分簇算法(Hierarchical Clustering)来减少无线传感器网络电力的消耗。通过层次式分簇算法,可以增加网络的扩展性和生存时间,然而这些研究成果仍无法维持网络拓扑的稳定性。论文以著名的层次式分簇路由协议LEACH算法为研究对象,通过探讨LEACH算法的不足以及现有改进模型,指出算法中未考虑簇头节点的能量因素而使簇的结构不够合理的问题。论文在LEACH协议改进算法LEACH-C、CEFL和DCHS的基础上,讨论了一个能量均匀的分簇与簇头选派机制,并在簇头选派机制中引进“伪簇头”概念,配合“负载监控”机制和“负载舒缓”机制,维持簇头角色的负载均衡和网络拓扑结构的稳定。该改进算法称为基于伪簇头机制的LEACH负载均衡算法,简称LEACH-P(LEACH with Pseudo-Cluster Head),可达到下列目标:(1)提供一个稳定的分簇与簇头选派机制构建层次式分簇无线传感器网络架构;(2)簇头角色的工作负荷得以平衡并且减少了簇头节点的电力消耗;(3)提高整体网络的稳定与性能;(4)延长整体网络的生存时间。最后,利用NS2仿真工具对改进算法进行了仿真分析。仿真结果表明LEACH-P协议有效地提高了能量利用的效率,延长了网络寿命,实现了网络负载均衡。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-7
缩略语表  7-12
第一章序论  12-18
  1.1 研究背景及意义  12-14
    1.1.1 研究背景  12
    1.1.2 研究意义  12-14
  1.2 研究现状  14-15
    1.2.1 国外研究现状  14-15
    1.2.2 国内研究现状  15
  1.3 论文主要研究工作  15-17
  1.4 论文结构安排  17-18
第二章无线传感器网络概述  18-27
  2.1 无线传感器网络  18-20
    2.1.1 基本概念  18
    2.1.2 无线传感器网络的发展历程  18-20
  2.2 无线传感器网络体系结构  20-23
    2.2.1 无线传感器网络系统结构  20-21
    2.2.2 无线传感器网络协议栈模型  21-23
  2.3 无线传感器网络的特点  23-25
  2.4 无线传感器网络关键技术分析  25-26
    2.4.1 组网策略  25
    2.4.2 路由设计  25
    2.4.3 数据融合  25-26
    2.4.4 QoS 保障和可靠性设计  26
    2.4.5 移动控制模型  26
  2.5 本章小结  26-27
第三章无线传感器网络路由协议分析  27-37
  3.1 无线传感器网络路由协议设计的特点与要求  27-28
    3.1.1 无线传感器网络路由协议设计的特点  27-28
    3.1.2 无线传感器网络路由协议设计的要求  28
  3.2 无线传感器网络路由协议的分类  28-29
  3.3 几种典型无线传感器网络路由协议比较及文献调研综述  29-34
    3.3.1 泛洪式路由协议  29-30
    3.3.2 层次式分簇路由协议  30-32
    3.3.3 以数据为中心的路由协议  32-33
    3.3.4 基于位置信息的路由协议  33-34
    3.3.5 基于QoS 的路由协议  34
  3.4 无线传感器网络路由协议的比较  34-35
  3.5 选择LEACH 协议研究的原因  35-36
  3.6 本章小结  36-37
第四章 LEACH 路由协议的研究与改进  37-62
  4.1 LEACH 路由协议  37-44
    4.1.1 LEACH 算法的物理模型  37-39
    4.1.2 LEACH 算法描述  39-42
      4.1.2.1 簇头选举  39-40
      4.1.2.2 簇的形成  40-42
    4.1.3 LEACH 协议的不足与改进  42-44
      4.1.3.1 LEACH-C 协议  42-43
      4.1.3.2 LEACH-F 协议  43
      4.1.3.3 CEFL 协议  43
      4.1.3.4 DCHS 协议  43-44
      4.1.3.5 现有改进模型小结  44
  4.2 基于伪簇头的LEACH 负载均衡算法  44-61
    4.2.1 研究假设  45-46
    4.2.2 算法描述  46-47
    4.2.3 初始阶段（Initial Phase）  47-51
    4.2.4 一般阶段（Active Phase）  51-58
    4.2.5 失效阶段（Inactive Phase）  58-61
  4.3 本章小结  61-62
第五章 LEACH-P 协议的仿真分析  62-72
  5.1 NS2 仿真工具介绍  62-63
  5.2 NS2 仿真原理简介  63-64
  5.3 仿真与分析  64-71
    5.3.1 仿真环境  64-65
    5.3.2 仿真结果及分析  65-71
      5.3.2.1 簇头电力消耗比较  66-67
      5.3.2.2 网络生存时间比较  67-70
      5.3.2.3 基站累计接收到的平均数据量比较  70-71
      5.3.2.4 仿真实验总结  71
  5.4 本章小结  71-72
第六章总结与展望  72-73
  6.1 总结  72
  6.2 展望  72-73
致谢  73-74
参考文献  74-76

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