基于节能的无线传感器网络拓扑控制算法研究

【摘要】： 无线传感器网络是物联网技术的重要组成部分,它和射频识别技术的系统集成极大地推动了物联网不可估量的应用前景。对于能量受限的无线传感器网络来说,以节能为目标的拓扑控制研究是一个难点问题,其主要目的是延长网络的生存时间,具体表现在监控区域内生存节点数目、网络能耗和基站(base station,以下简称BS)接收数据量3个方面。 拓扑结构对网络整体性能的影响举足轻重,而拓扑控制算法对拓扑结构的形成又起着决定性的作用。首先,文章在认知网络体系结构、节点结构以及协议栈后,对网络进行了节能设计,包括节点能效模型、通信能耗、路由能效性和拓扑结构4个方面的设计。其次,研究了平面型、层次型和启发机制3类拓扑控制算法的特点,总结了各自的优点和不足,并且对具有代表性的MTE (minimum transmis-sion energy)算法、LEACH (low energy adaptive clustering hierarchy)算法以及STAT-CLUS (static clustering)算法进行了比较,得出了LEACH算法的网路性能总体较优的结论。 在重点研究层次型拓扑控制算法的基础上,本文提出了基于节能的改进算法CAEC (clustering algorithm of energy conservation)的设计思路,通过选举簇头节点、划分簇区和通信稳定3个阶段实现了改进算法。值得一提的是,CAEC算法在选举簇头节点时引入了权值计算概念,综合考虑了节点剩余能量、与BS的距离以及连通度3个因素,使簇头节点具有剩余能量高、距离BS近、连通度大的特点。最后,仿真实验表明CAEC算法的簇区划分过程比LEACH算法更合理,延长了网络的生存时间,即监控区域内存活节点数目、网路能耗以及BS接收数据量3项指标均有不同程度的改善。 文章最后对全文的主要贡献做了简要的总结,并在指出工作不足的基础上提出了进一步研究的方向。 【关键词】：无线传感器网络 分簇 簇重构 生存节点
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TN929.5;TP212.9
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 1 引言8-16
• 1.1 无线传感器网络概述8-11
• 1.1.1 网络体系结构8-9
• 1.1.2 节点结构9-10
• 1.1.3 网络协议栈10-11
• 1.2 拓扑控制算法研究的意义11-12
• 1.3 研究背景及动机12-14
• 1.4 本文的内容安排14-16
• 2 无线传感器网络节能设计16-24
• 2.1 节点能效模型16-17
• 2.1.1 节点能耗模型16-17
• 2.1.2 消息头文件17
• 2.2 通信能耗分析17-18
• 2.3 路由能效性分析18-19
• 2.4 拓扑结构设计19-23
• 2.5 节能设计分析23-24
• 3 拓扑控制算法研究24-38
• 3.1 拓扑控制算法的分类24
• 3.2 平面型24-29
• 3.2.1 flooding算法25
• 3.2.2 SPIN算法25-26
• 3.2.3 DD算法26-27
• 3.2.4 HREEMR算法27-28
• 3.2.5 MTE算法28-29
• 3.3 层次型29-32
• 3.3.1 LEACH算法29-30
• 3.3.2 GAF算法30-31
• 3.3.3 三色算法31-32
• 3.3.4 STAT-CLUS算法32
• 3.4 启发机制32-34
• 3.4.1 STEM-B算法32-33
• 3.4.2 STEM-T算法33-34
• 3.5 代表性的3种算法比较34-38
• 3.5.1 仿真环境与参数34-35
• 3.5.2 实验结果分析35-38
• 4 改进的拓扑控制算法38-47
• 4.1 问题的提出38
• 4.2 改进算法的设计思想38-41
• 4.3 改进算法实现41-47
• 4.3.1 选举簇头节点阶段42-44
• 4.3.2 划分簇区阶段44-45
• 4.3.3 通信稳定阶段45-47
• 5 仿真实验与分析47-60
• 5.1 CAEC与LEACH簇区划分比较47-51
• 5.2 LEACH算法实验结果分析51-53
• 5.3 CAEC算法实验结果分析53-55
• 5.4 计算簇重构能耗最小的簇头数目55-57
• 5.5 CAEC与LEACH的比较57-60
• 6 总结60-61
• 参考文献61-64
• 攻读学位期间发表的学术论文64
• 攻读学位期间参加的项目64-65
• 致谢65

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