无线传感器网络节能路由的研究与实现

【摘要】： 无线传感器网络(Wireless Sensor Network,简称WSN)是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成,通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息,并发送给观察者。无线传感器网络就是将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起,改变了人类与自然界的交互方式。它不同于传统网络,其能量受限制,且无线传感器节点通常被布置在高危区域或无人值守区域,供电电池在电能耗尽后无法更换,导致节点退出网络。因此,能量的高效性成为无线传感器网络首要的性能指标。 本文围绕实现低功耗的无线传感器网络的目标,从分簇算法入手,结合功率控制、数据融合及RSSI测距技术,对无线传感器网路由协议的节能性进行研究,并给出改进算法。本文主要研究成果如下: 首先,从无线传感器网的结构入手,对物理层、数据链路层、网络层及应用层的关键技术开展了研究,针对无线传感器网路由协议的特殊性,深入分析了典型路由协议的优点和局限,确定分簇算法结合功率控制、数据融合及RSSI测距技术的方法,改善路由协议的节能性。 其次,建立能量及网络生存模型,为路由协议的定量分析提供依据。通过改变目标区域的面积,单位面积内节点密度等参数,得到参数不同的无线传感器网以PEGASIS算法成网后一次通信的总能耗曲线。通过分析曲线,提出了节点分区成链型PEGASIS算法(D-PEGASIS)。D-PEGASIS算法通过使用节点自组蜂窝分区方式,在不增加节无线传感器节点造价的前提下,进一步提高了PEGASIS算法的节能性;在上层骨干网的组建上,改进算法借鉴多层成簇路由的思想,采用多跳最近的方法确定下跳节点。通过对D-PEGASIS及PEGASIS的仿真比较,可知D-PEGASIS算法的数据传输量为PEGASIS算法的两倍,且成倍减少PEGASIS算法通信过程中的延时。 接着,分析了分簇算法中簇头负载均衡度模型,并结合实际成网情况提出了可以通过均衡集簇算法,均匀簇头分布及限制簇头负载,得到节能性最佳的负载均衡值。针对无线传感器网以LEACH算法成网时,网络能量消耗负载敏感的特性,提出均衡集簇分层型路由协议(LEACH-LBF),解决LEACH协议在实现中会出现个数远远偏离期望值和分布位置集中在网络覆盖区域一侧的现象的问题。通过对LEACH-LBF及LEACH的仿真比较,可知LEACH-LBF算法的网络的生存期是LEACH协议的两倍。 最后,使用IAR开发平台,在EMBEE实验箱上,实现以LEACH及LEACH-LBF算法形成的多节点间无线多跳路由。在PC机上利用LabVIEW分析传到基站的数据,并对通信结果进行监控及保存。对通信结果的分析后,可以汪明LEACH-LBF算法的可实现性,及对LEACH算法在网络生存时间上进行了优化。 综上所述,本文提出的改进算法及对算法的硬件实现,给路由协议节能性的研究提供了新的方法和途径,为无线传感器网络的实际使用提供了一个实例,对无线传感器网络的能量高效性做了有益的探索,能够在一定程度上解决制约其投入应用的能耗瓶颈。 【关键词】：WSN 低功耗 路由协议 EMBEE
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TN929.5;TP212.9
【目录】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-10
• 目录10-12
• 1 绪论12-21
• 1.1 引言12-13
• 1.2 研究意义13
• 1.3 国内外研究进展13-18
• 1.4 本文研究内容18-19
• 1.5 章节安排19-21
• 2 WSN路由协议概述21-36
• 2.1 路由算法介绍21-24
• 2.2 分簇算法模型24-30
• 2.3 辅助技术30-35
• 2.4 本章小结35-36
• 3 节点分区成链型PEGASIS算法36-53
• 3.1 算法模型36-39
• 3.2 PEGASIS算法分析39-42
• 3.3 ECR算法分析42-43
• 3.4 PEGASIS算法改进43-48
• 3.5 仿真实验48-51
• 3.6 本章小结51-53
• 3 均衡集簇分层型算法53-70
• 4.1 LEACH算法分析53-56
• 4.2 LEACH-EE算法分析56-57
• 4.3 均衡集簇算法设计57-61
• 4.4 LEACH算法改进61-63
• 4.5 仿真实验63-67
• 4.6 LEACH-LBF算法的定位功能67-69
• 4.7 本章小结69-70
• 5 LEACH-LBF协议硬件实现70-85
• 5.1 实验设备70
• 5.2 开发平台LAR70-71
• 5.3 无线传感器节点硬件71-73
• 5.4 无线传感器节点软件控制73-80
• 5.5 实验结果80-84
• 5.6 本章小结84-85
• 6 总结与展望85-87
• 参考文献87-93
• 附录93-105
• 攻读学位期间发表的学术论文目录105-106
• 致谢106

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