结合协作MIMO的分簇无线传感器网络节能技术研究

【摘要】：无线传感器网络常常被部署在一些恶劣的环境下或人不容易到达的区域中,这极大地拓展了人们获取信息的能力,应用前景非常广阔。但组成无线传感器网络的传感器节点往往采用电池供电,能量极其有限,而且电池不容易更换。因此,能否高效地使用传感器节点有限的电池能量,将直接影响到网络的生命周期。 多输入多输出(MIMO)技术在无线传感器网络中的应用,能有效地降低网络能耗。分簇是一种有效的节能技术,它形成的网络拓扑结构与MIMO系统的结构非常相似。因此,本文将分簇路由算法和MIMO技术相结合,实现网络层和物理层的跨层节能设计。 本文对无线传感器网络和MIMO技术的相关知识进行了全面了解,分析研究了低功耗白适应分簇路由协议LEACH,并针对其存在簇头分布不均匀和簇头产生时未考虑节点的能量状态等不足进行改进,提出了一种能量有效的分簇路由协议,本文称其为EE-LEACH。为进一步均衡网络负载,本文在分析了协作MIMO节能的基础上,将协作MIMO与EE-LEACH进行联合跨层设计,提出了一种能量均衡的协作MIMO传输协议,本文称其为EB-LEACH-MIMO。 在EE-LEACH中,整个网络监测区域被固定划分为最优簇数个扇形子区域,每个子区域为一个簇。在簇头的产生阶段,EE-LEACH同时考虑了节点的位置和剩余能量信息,并且每下一轮的簇头由当前轮的簇头产生。在EB-LEACH-MIMO中,采用正六边形的网络分区策略对EE-LEACH进行改进,并结合协作MIMO技术,实现了对网络层和物理层的联合跨层设计。 在MATLAB平台下,本文分别对LEACH、EE-LEACH. LEACH-MIMO以及EB-LEACH-MIMO进行了仿真。其中,LEACH-MIMO是LEACH与协作MIMO的简单结合。实验结果表明,与LEACH相比,EE-LEACH能有效地节省网络能量,网络中第一个节点死亡的时间延长了近55%。与LEACH-MIMO相比,EB-LEACH-MIMO大大延长了网络的生命周期。 【关键词】：无线传感器网络 LEACH 协作MIMO 正六边形分区 能量效率 网络生命周期
【学位授予单位】：广西大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TN929.5;TP212.9
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-19
• 1.1 无线传感器网络概述10-15
• 1.1.1 网络体系结构10-11
• 1.1.2 传感器节点结构11
• 1.1.3 网络协议栈11-12
• 1.1.4 网络特点12-13
• 1.1.5 应用领域13-14
• 1.1.6 节能技术14-15
• 1.2 课题的来源及其研究现状15-17
• 1.2.1 课题的来源15-16
• 1.2.2 课题的研究现状16-17
• 1.3 本文的研究意义与目的17-18
• 1.4 论文的组织结构及其研究内容18-19
• 第二章 LEACH协议及其改进19-31
• 2.1 传感器网络路由协议19-21
• 2.1.1 协议特点和设计目标19-20
• 2.1.2 平而与层次路由协议性能分析20-21
• 2.2 典型的分簇路由协议LEACH21-24
• 2.2.1 LEACH协议介绍21-23
• 2.2.2 LEACH协议存在的缺陷23-24
• 2.3 改进的分簇路由协议EE-LEACH24-28
• 2.3.1 EE-LEACH协议描述24-25
• 2.3.2 网络能耗模型25-27
• 2.3.3 EE-LEACH协议能耗分析27-28
• 2.4 实验仿真及结果分析28-30
• 2.5 小结30-31
• 第三章 MIMO技术在无线传感器网络中的应用分析31-39
• 3.1 MIMO技术概述31-33
• 3.1.1 MIMO技术基本原理31
• 3.1.2 MIMO技术的特点31-32
• 3.1.3 MIMO系统模型32-33
• 3.2 MIMO技术在无线传感器网络中的节能应用33
• 3.3 协作MIMO传输方式及其能耗分析33-36
• 3.3.1 协作MIMO传输方式33-34
• 3.3.2 协作MIMO能耗分析34-36
• 3.4 实验仿真及结果分析36-38
• 3.5 小结38-39
• 第四章 结合协作MIMO的分簇无线传感器网络传输协议设计39-48
• 4.1 协议的设计思想39
• 4.2 EB-LEACH-MIMO传输协议设计39-44
• 4.2.1 正六边形网络分区41-42
• 4.2.2 簇头的产生42-43
• 4.2.3 协作节点的选择43
• 4.2.4 数据的传输43-44
• 4.3 EB-LEACH-MIMO协议能耗分析44
• 4.4 实验仿真及结果分析44-47
• 4.5 小结47-48
• 第五章 总结和展望48-50
• 5.1 研究工作总结48-49
• 5.2 后续工作展望49-50
• 参考文献50-56
• 致谢56-57
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文57

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