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无线传感器网络分簇路由算法研究

蔡烽  
【摘要】: 由传感器、微机电系统和网络三大技术融合而形成的无线传感器网络采用了全新的信息获取和处理技术,可广泛用于军事、国家安全、环境科学、交通管理、反恐维和以及灾害预测等领域,其巨大的科学意义和应用价值,已经引起了学术界、工业界和军事部门的极大关注,各种面向具体应用的无线传感器网络路由协议应运而生。 论文首先对无线传感器网络目前的研究状况进行了阐述,接着对无线传感器网络路由协议进行了综述。无线传感器网络自组织路由算法分为基于平面结构的算法和基于层次结构的算法。层次结构与平面结构相比,在网络管理、系统扩展性、降低系统开销、提高网络吞吐能力以及QoS支持等各方面都存在明显的优势。所以,随着应用的增加,大规模的无线传感器网络逐渐呈现出层次化的趋势,基于层次型结构的自组织分簇路由算法是目前研究的重点。 论文第三部分研究了无线传感器网络的分布式分簇路由算法。在簇首选举算法、成簇算法和簇内通信算法这三方面提出了新的算法。 第三章首先证明了经典LEACH算法的不确定性将会导致某些节点过快耗尽电池能量而缩短网络生存期。在此基础上设计了一种适用于无线传感器网络的基于节点剩余能量的簇首选举算法,该算法在簇首的选举过程中,充分考虑到簇首节点的耗能性,让剩余能量比较多的节点有更大的概率当选簇首,仿真结果表明该算法均衡了整个网络的能量,有效地延长了系统生命,提高了网络的能耗效率。 第四章分析了传统分簇算法网络成簇算法的不足,选择以节点与簇首的距离和簇首能量剩余值为参数的复合距离来确定节点的簇归属,同时由于簇首在簇通信中的重要性,我们在每个簇中选择备用簇首,来增加簇通信的稳定性。当网络中原簇首的能量低于一定数量值时,备用簇首将被自动切换为新簇首,原簇首将被切换为备用簇首,理论分析和仿真结果一致表明本算法明显延长了无线传感器网络的生存周期。 第五章分析了传统分簇算法簇内通信定长时隙的不足,如果设置得太短,就会导致簇内节点在活跃-睡眠状态之间频繁来回切换,将损耗更多的来回切换时的能量;如果设置得太长,在每个时隙数据包发送完毕,发送节点和簇首就都处于空闲状态,空闲等待的能量将得到损耗。传感器网络的数据流是不断变化的,针对以上的不足和数据流的特点,提出了一种无线传感器网络中基于自适应流量的TDMA分簇算法簇内通信算法,该算法根据当前节点数据流量的变化,自适应地调整该节点在其簇中的时隙长度,减少节点空闲时消耗的能量和节点从睡眠到活跃状态来回切换的能量。仿真结果表明,运用这种算法,可以节省节点的能量,提高网络的生存时间。 在最后部分,总结了全文,展望了未来的研究方向。


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