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《中国科学技术大学》 2009年
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分簇传感器网络的优化方法的研究

陈磊  
【摘要】: 作为一种新的信息获取方式和处理模式,无线传感器网络在军事侦查、环境监测、医疗保护等领域被广泛应用。无线传感器网络中往往包含大量的节点,以数据为中心,中间节点能够对感知的数据进行融合,传统的无线网络中中间节点仪负责报文的转发。由于传感器往往布撒在人无法接近的恶劣环境中,其能源无法补充,因此其协议必须节能。一些为传统无线网络设计的协议不适用于无线传感器网络。无线传感器网络中邻近节点采集的信息通常具有相似性,存在冗余,基于层次的分簇路由协议可以通过簇头节点对簇内成员节点感知的数据进行融合转发,能有效地简化对传感器网络的查询,降低通讯开销,以达到节能的目的。相对于平面路由算法,分簇路由算法更符合无线传感器网络基于数据的路由需求,具有更好的健壮性和可扩展性,适用于大规模网络。 本文针对分簇的无线传感器网络在网络层和数据链路层的节能优化方法进行了研究,具体内容有: 首先本文讨论了在网络层针对分簇路由协议的组簇模型的优化方法。统一簇半径的分簇算法能保证簇头的均衡分布。但是相邻的两个簇彼此可能是重叠的,即成员节点往往出现在多个候选簇头的覆盖范围内。组簇的一个原则是尽量保证各个簇的负载均衡。本文提出了一种簇规模的估计模型CSEM(ClusterSize Estimation Model)来均衡各个簇间的负载。该模型的一个显著的缺点是极大的能耗开销。为此提出了另外一种低能耗的负载均衡的组簇判据LBJCM(aLoad Balanced Join Cluster Metric)。该判据根据簇头的局部密度以及距离该簇头的距离选择最优的簇头加入。仿真实验表明,在不同的簇半径下,较之其他模型,利用CSEM和LBJCM进行组簇能获得更好的簇间负载均衡性能。 接着在MAC层针对节点的时分多址TDMA调度算法进行了研究。基于竞争的MAC层报文收发机制将造成局部通信的大量冲突,浪费节点的能量。基于TDMA的调度将极大地降低节点的能耗。基于分簇的传感器网络的一种典型的做法是簇头为每个成员节点分配时隙,以轮的形式收集成员节点的数据(如LEACH协议)。为了避免簇间重叠造成的干扰,现有的解决方案包括为每个簇分配唯一的DSSS扩频码,或者使用为相邻簇分配不同信道等。然而这些方案需要额外的硬件支持,不适用于传感器网络大规模布撒的应用场景。一种基于两级TDMA调度的协议IFCT(Interference Free Cluster-based TDMA schedule)解决了上述不足。IFCT采用两级的调度,为每个簇分配一个时间帧,每个簇头将自己的帧拆分为时隙分配给成员节点。然而IFCT的帧分配算法FA存在信道浪费问题,针对该不足提出了一种新的调度算法ETS以及改进后的算法ETS2。ETS和ETS2都具有很好的算法复杂度和消息复杂度并且极大地提高了各分簇半径下的簇的平均信道利用率。 随后后本文提出了一种基于LEACH的面向数据融合的路由协议DF-LEACH。由于LEACH协议规定簇头直接通过一跳的方式与基站进行通信,因此远离基站的簇头节点将过早地死亡,因此对LEACH协议进行了改进,提出了一种突发事件的位置的估计模型。根据该模型每个簇估计出事件发生的位置,并根据该位置信息判断感知到相同事件的相关的簇,然后在局部进行数据的融合,最终发送给基站。实验表明DF-LEACH延长了网络的生命期。 在本文的最后结合一个实际应用的无线抄表系统的项目实现了一种在MAC层之上的容错调度算法。无线抄表系统对电表数据的丢包率有严格的控制,因此使用了一种分布式的调度算法来调度采集器上传电表数据报文。实验结果表明所有的电表数据被成功地收集。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TN929.5;TP212.9

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【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 张锋辉;无线传感器网络粮情监测组网研究[D];北京邮电大学;2010年
2 余修武;矿井安全智能监测无线传感器网络关键技术研究[D];武汉理工大学;2013年
中国硕士学位论文全文数据库 前7条
1 谭耀庭;面向节能的无线传感器网络跨层协议研究与实现[D];西安电子科技大学;2011年
2 张峰;LEACH-R算法的研究及其在“物联网”中的应用[D];山东建筑大学;2011年
3 吕琳;无线传感器网络中的消息认证技术[D];南京航空航天大学;2010年
4 孟器宇;战场环境下的移动自组织网络拓扑控制研究[D];重庆大学;2011年
5 邹超伟;无线传感器网络分簇拓扑控制算法研究[D];中南大学;2010年
6 徐顺杰;基于地理位置的无线传感器网络分簇路由协议研究[D];中国石油大学;2010年
7 张冬悦;物联网中路由算法的实时性研究[D];辽宁大学;2012年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前7条
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中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 徐建波;无线传感器网络分布式分簇和节能的数据收集协议研究[D];湖南大学;2008年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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9 范书平;高巍;马宝英;;一种无线温度传感器网络中节能的路由协议[J];安徽农业科学;2011年02期
10 赵养社;;基于无线传感器网络和GPRS网的灌溉系统研究[J];安徽农业科学;2011年07期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 张维勇;张芬;马学森;;基于IEEE802.15.4的一种分簇算法研究[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
2 石为人;张阳;邓鹏程;;传感器网络局部时间同步协议研究[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
3 曾明;胥布工;;基于分层的传感器网络自组织拓扑控制算法研究[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
4 刘增力;李雯霏;龙华;朵琳;;能量相关DSR协议OPNET仿真及性能分析[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
5 ;Energy-Efficient Optimal Scheme Based on Mixed Routing in Wireless Sensor Networks[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
6 ;A Constraint Satisfaction Algorithm for Fleet Weapon Compatibility[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年
7 ;Defense of a Variant of Rushing Attack on ExOR[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年
8 罗旭;柴利;杨君;;无线传感器网络TTSL迭代定位算法[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年
9 任玲;唐昊;周雷;魏振春;;一种能量高效的无线传感器网络自适应传输方法[A];中国自动化学会控制理论专业委员会B卷[C];2011年
10 何坚;方康玲;李晓卉;韩维;;基于无线传感器网络的涉密载体智能监管系统研究[A];中国自动化学会控制理论专业委员会D卷[C];2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 张晋;无线传感器网络覆盖控制算法研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 王蕊;无线传感器网络部署与拓扑控制研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
3 孙玉婷;基于柱形换能器的水下传感器网络组网协议研究[D];中国海洋大学;2009年
4 罗汉江;海洋监测传感器网络关键技术研究[D];中国海洋大学;2010年
5 郭瑛;基于事件触发的无线传感器网络关键技术研究[D];中国海洋大学;2010年
6 周鹏;水下传感器网络海上试验平台的研究与设计[D];中国海洋大学;2010年
7 张书奎;无线传感器网络中信息分发的可靠性研究[D];苏州大学;2010年
8 刘昕;基于无线传感器网络的目标跟踪系统中的算法研究[D];华中科技大学;2010年
9 窦亚玲;基于直觉模糊集的多约束网络路由决策方法研究[D];华中科技大学;2010年
10 蒋鼎国;无线传感器网络农业信息监控系统设计与数据融合研究[D];江南大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 叶青;基于可信的无线传感器网络认证技术的研究[D];安徽工程大学;2010年
2 谌业滨;无线传感器网络自身健康状态融合机制研究[D];南昌航空大学;2010年
3 高丽丽;大功率电动汽车多功能智能快速充电机的研究[D];山东科技大学;2010年
4 乔田田;无线传感器网络路由协议研究[D];山东科技大学;2010年
5 骆科学;基于ZigBee的无线传感器网络节点在矿井机车运输监控系统中的应用研究[D];山东科技大学;2010年
6 韩蕾;K重覆盖算法在WSN最大支持路径中的研究[D];长春理工大学;2010年
7 彭慧;面向离散型制造业的嵌入式MES检测终端开发[D];浙江理工大学;2010年
8 闭启礼;水文传感器网络部署优化研究[D];郑州大学;2010年
9 张永琦;无线传感器网络中基于网关的分级簇算法研究[D];郑州大学;2010年
10 张磊;基于无线传感器网络的实验管理系统的设计与实现[D];郑州大学;2010年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 陆静霞;丁为民;;基于蓝牙技术的粮情监测系统[J];安徽农业科学;2007年05期
2 李理;刘柯歧;;基于Zigbee的粮仓分布式传感器网络[J];兵工自动化;2008年09期
3 赵永滨;周勇;;一种基于虚拟中心的动态时隙TDMA算法[J];兵工自动化;2010年03期
4 顾一中;孙亚民;王华;王刚;;基于北斗定位系统的新型无线传感器网络路由算法[J];兵工学报;2009年03期
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7 刘丽萍;王智;孙优贤;;无线传感器网络中的资源优化[J];传感技术学报;2006年03期
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9 胡钢;钱文玲;陈世志;谢冬梅;;基于无Hello消息的无线传感器网络路由技术的改进[J];传感技术学报;2008年01期
10 熊科;樊晓平;刘少强;廖志芳;张纯和;;一种基于非均匀分布双簇头的无线传感器网络分簇算法[J];传感技术学报;2008年07期
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 刘源;基于模糊信息处理的数据融合方法研究[D];西安电子科技大学;1999年
2 周正伟;蓝牙基带IP实现技术研究[D];电子科技大学;2002年
3 林瑞仲;面向目标跟踪的无线传感器网络研究[D];浙江大学;2005年
4 董辉;无线传感器网络中的信息处理研究[D];浙江大学;2007年
5 徐军委;下一代互联网中无线传感器网络协议理论与技术的研究[D];中国科学技术大学;2007年
6 汪炀;无线传感器网络定位技术研究[D];中国科学技术大学;2007年
7 周颖;无线传感器网络拓扑控制研究[D];武汉理工大学;2007年
8 徐超;面向大型工程健康监测的无线传感器网络基本理论和关键技术研究[D];武汉理工大学;2007年
9 何姣云;矿山采动灾害监测及控制技术研究[D];武汉理工大学;2007年
10 孔凡天;无线传感器网络节点定位与数据融合技术研究及实现[D];华中科技大学;2006年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 潘涛;基于ZigBee传感器网络的煤矿安全监测系统研究[D];兰州大学;2010年
2 李宏娟;无线传感器网络中安全数据融合的研究[D];大连理工大学;2011年
3 吴华君;煤矿井下无线传感器网络能量均衡分簇路由协议的研究[D];西南大学;2011年
4 孙建全;矿井综采工作面安全隐患评价方法研究[D];山东科技大学;2004年
5 李功;无线传感器网络在环境监测中的研究设计[D];浙江大学;2006年
6 黄瀛;基于无线传感器网络的煤矿安全无线与综合监控系统的研究[D];北京交通大学;2007年
7 吴海;无线传感器网络安全技术研究[D];西安电子科技大学;2007年
8 王春雷;基于分簇的无线传感器网络节能路由算法研究与应用[D];山东大学;2007年
9 熊黎;无线传感器网络在结构工程监测中的数据融合问题研究[D];武汉理工大学;2007年
10 朱琪美;无线传感器网络广播认证方案研究[D];江苏大学;2006年
【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前4条
1 袁志强;;基于ZigBee技术井下瓦斯无线监测系统的设计[J];工业安全与环保;2013年06期
2 袁志强;;基于ZigBee技术的温室大棚无线监控系统设计[J];江苏农业科学;2012年11期
3 郑宝周;李富强;吴莉莉;林爱英;郑丹;郁会平;袁超;;基于ZigBee和GPRS技术的仓储环境监测系统设计[J];江西农业学报;2013年03期
4 孙毅;卢可;唐良瑞;;面向用电信息采集的WSN非均匀分簇多跳路由算法[J];电力系统保护与控制;2013年10期
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 董新平;物联网产业成长研究[D];华中师范大学;2012年
2 梁琨;二维条码谷物溯源颗粒的研制及溯源信息采集系统研究[D];南京农业大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 李勇;无线传感器网络节点研究与实现[D];南京邮电大学;2011年
2 桂林;基于ZigBee的传感器网络环境监测的研究与实现[D];南京邮电大学;2012年
3 王智威;无线传感网络组网及路由算法的研究[D];北京邮电大学;2011年
4 李环;非均匀分簇WSN路由协议的研究[D];太原理工大学;2012年
5 陈岩;无线传感器网络低功耗优化方法的研究[D];东北林业大学;2012年
6 徐四委;基于AODV的物联网路由协议研究[D];辽宁大学;2012年
7 夏振华;基于CAN总线和Zigbee的粮情监测系统的研究与设计[D];安徽工程大学;2012年
8 王龙;基于Prim算法的无线传感器网络动态分簇的研究[D];哈尔滨理工大学;2012年
9 吴京晶;基于无线网络的冷弯型钢机组测试系统的研究[D];北方工业大学;2013年
10 牛佳佩;大规模无线传感器网络环域多扇区分簇路由算法研究[D];广东工业大学;2013年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 屈玉贵,翟羽佳,蔺智挺,赵保华,张英堂;一种新的无线传感器网络传感器放置模型[J];北京邮电大学学报;2004年06期
2 林亚平,王雷,陈宇,张锦,陈治平,童调生;传感器网络中一种分布式数据汇聚层次路由算法[J];电子学报;2004年11期
3 龚海刚,刘明,陈力军,谢立;DEED:一种无线传感器网络中高效节能的数据通信协议[J];电子学报;2005年08期
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5 李成法;陈贵海;叶懋;吴杰;;一种基于非均匀分簇的无线传感器网络路由协议[J];计算机学报;2007年01期
6 任丰原,黄海宁,林闯;无线传感器网络[J];软件学报;2003年07期
7 李建中,李金宝,石胜飞;传感器网络及其数据管理的概念、问题与进展[J];软件学报;2003年10期
8 刘明;龚海刚;毛莺池;陈力军;谢立;;高效节能的传感器网络数据收集和聚合协议[J];软件学报;2005年12期
9 沈波;张世永;钟亦平;;无线传感器网络分簇路由协议[J];软件学报;2006年07期
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【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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2 陈红;肖军;苏洁;;基于DSP的动态传感器网络实验平台的设计和开发[J];信息与控制;2006年02期
3 刘媛;邴志刚;;基于RFID的智能仓储管理系统的研发[J];天津工程师范学院学报;2006年03期
4 李凯;;无线传感器网络协议与研究[J];中国科技信息;2007年04期
5 王日俊;刘峰;凌国宇;周金龙;;浅谈传感器的发展[J];甘肃科技纵横;2007年03期
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10 刘瑞玲;李祥林;;无线传感网络研究与应用综述[J];电脑知识与技术;2010年12期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 谢志军;陈红;;传感器网络中能量高效的聚集算法研究[A];第二十四届中国数据库学术会议论文集(研究报告篇)[C];2007年
2 解婷婷;樊小泊;陈红;;传感器网络中基于动态线路的连续查询处理[A];第二十三届中国数据库学术会议论文集(技术报告篇)[C];2006年
3 程时端;;传感器网络[A];中国通信学会信息通信网络技术委员会2004年年会论文集[C];2004年
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6 纪守领;李金宝;;基于公共子树缓存的传感器网络查询技术研究[A];第26届中国数据库学术会议论文集(B辑)[C];2009年
7 曾加;慕春棣;胡建斌;;基于博弈论的传感器网络能量平衡路由[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
8 石为人;张阳;邓鹏程;;传感器网络局部时间同步协议研究[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
9 张和生;潘成;杨军;贾利民;董宏辉;梁玉庆;梁乙朝;;一种面向交通状态获取传感器网络体系结构的设计与实现[A];第二十九届中国控制会议论文集[C];2010年
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中国重要报纸全文数据库 前10条
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2 布轩;传感器网络标准工作组在北京成立[N];中国电子报;2009年
3 许泳;传感器网络将与互联网融合[N];计算机世界;2007年
4 记者 过国忠 通讯员 王楠;传感器网络SoC芯片制成[N];科技日报;2010年
5 ;中国首台IPv6微型传感路由器诞生[N];网络世界;2006年
6 记者 过国忠;我国传感网首批6项标准发布[N];科技日报;2011年
7 本报记者 吴磊;物联网关键技术亟待突破[N];通信产业报;2009年
8 工业和信息化部 通信科技委委员 侯自强;物联网仅仅才开始[N];计算机世界;2009年
9 本报记者 韩义雷 过国忠;无锡加快建设物联网“感知中国”中心[N];科技日报;2009年
10 通讯员  张兰 记者  赵凤华;我国研制出首套IPv6微型传感路由器[N];科技日报;2005年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 罗汉江;海洋监测传感器网络关键技术研究[D];中国海洋大学;2010年
2 王越超;中高速传感器网络服务质量保障关键技术研究[D];广东工业大学;2012年
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6 张晓丽;光纤结构健康监测系统及其传感器网络可靠性研究[D];南京航空航天大学;2012年
7 郜帅;移动传感器网络高效数据收集机制研究[D];北京交通大学;2010年
8 崔筱宁;基于传感器网络的扩散型事件监测技术研究[D];中国科学技术大学;2010年
9 解文斌;面向监测应用的传感器网络关键技术研究[D];国防科学技术大学;2009年
10 李明;异构传感器网络覆盖算法研究[D];重庆大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
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4 沈昊为;传感器网络中基于Voronoi网格的快速覆盖判定算法研究[D];湖南大学;2010年
5 彭蓓雷;基于低时延和区分服务的中高速传感器网络QoS保证MAC协议研究[D];广东工业大学;2011年
6 沈卓;基于虚拟MIMO的无线温室测控系统传感器网络结构研究[D];江苏大学;2010年
7 王岩;基于流场守恒律模型的传感器网络路由技术研究[D];南京理工大学;2010年
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9 何鎏;基于嵌入式系统和现场总线的多参量传感器网络研究[D];上海交通大学;2011年
10 张军;非均匀无线多媒体传感器网络路由算法及其仿真与研究[D];陕西师范大学;2010年
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