适于地下管廊的无线传感器网络低功耗分簇路由协议的研究
发布时间：2021-10-29 07:07
随着物联网技术的快速发展,作为物联网技术的重要基石,无线传感器网络（Wireless Sensor Network,WSN）凭借自组织,大规模以及拓扑动态化的特点,近年来在很多领域得到广泛的应用,例如军事侦查、环境监测,灾害预警等领域。然而由于传感器节点的能量受限,所以如何提高节点的能量使用效率,延长网络的生命周期就显得极为重要。本文的传感器节点部署在地下管廊中,针对因地下管廊长而窄的管道结构而导致网络能耗不均衡的问题,提出了一种基于地下管廊的节能分簇路由协议。该协议从多个方面优化网络的性能,均衡网络的能耗。本文主要研究工作如下:首先,阐述了WSN的研究背景和发展现状,介绍了WSN的体系结构、网络特点和相关技术,同时还概述了WSN路由协议的特点和设计要求,以及常见的经典协议。其次,针对由于地下管廊长而窄的管道结构而引起的网络能耗极其不均衡问题,本文提出了一种适于地下管廊的节能分簇路由协议。该协议提出了一种新的应用于地下管廊的无线传感器网络模型,并推出网络的最优簇数来均衡整个网络能耗;以大母簇选举来均衡簇的大小和簇内节点的分布;以综合考虑节点的剩余能量、节点与基站的距离和节点的局部密度来...
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：58 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
地下城市管道综合走廊
杭州电子科技大学硕士学位论文2的传输。并且随着通信和网络技术的不断发展，为了能够随时随地的远程监控管廊内部的情况，节约人力、物力、财力，此时作为无线通信方式的无线传感器网络就开始应用在地下管廊中，也越来越发挥着不可替代的作用，而且相较于通信电缆等有线通信方式，无线传感器网络在架设成本和通信可靠性上均表现出了强大的优势[5]。无线传感器网络[6,7]通常是由一些具有一个或多个的低成本低功耗的传感器节点组成，传感器包含有存储器、电源、处理器，无线收发模块。节点间通过协同工作来监测某一区域，收集该区域的数据。传感器节点因由电池供电而使能量受限，怎样在受限的能量下保证较长的网络生命周期和可靠的传输是无线传感器网络应用的关键。由于无线传感器网络在很多方面具有独特的优势，使得它在国防军事、环境监测以及智能家居等领域[8]有着重要的应用价值。在地下管廊的无线传感器网络中，为提升网络的覆盖率及减少信息的冗余度，节点的放置形式一般是线性或半线性。在地下管廊的一定长度地段内，均有一个汇聚节点，该节点负责接收地段内所有簇首传输的数据。随后，各汇聚节点分别以单跳或多跳的传输形式将融合后的各地段数据信息发送到控制中心进行最终的任务决策，如图1.2所示。因此，为了最大程度地延长网络生命周期，人们需要设计应用于地下管廊的节能高效的无线传感器网络路由协议。图1.1地下城市管道综合走廊图1.2地下管廊中WSN节点部署图
杭州电子科技大学硕士学位论文72相关技术概述无线传感器网络（wirelesssensornetwork，WSN）是一种具有分布式特点的自组织网络，通常由分布在监测区域中大量的集感知、通讯及信息存储与处理等功能于一体的小型传感器节点所组成，节点能够实时且准确地收集监测区域中的环境信息。2.1无线传感器网络结构2.1.1无线传感器网络系统结构无线传感器网由大量的传感器节点组成。通常，根据无线传感器网络中的传感器节点是否分类成簇首节点和普通节点，将无线传感器网络分为两种拓扑结构，分别是平面拓扑结构和分层拓扑结构。2.1.1.1平面拓扑结构无线传感器网络中的节点部署在监测区域内，节点收集到监测区域内的信息，并通过单跳或多跳的传输方式将信息数据传送至基站，经过基站处理融合后。将数据发送给处理中心，进行最后的处理分析[32]。如图2.1所示，在此结构中，网络中的所有节点具有相同的等级，即不存在负责对一定范围内的节点进行收发数据的管理节点。该结构内节点排布简单且便于维护，不足之处在于网络内节点能耗分布极其不均匀。因此，平面拓扑结构不适用于灾区、森林和河流等大规模区域。图2.1WSN平面拓扑结构2.1.1.2分层拓扑结构目前主流的网络结构是分层拓扑结构，如图2.2所示，将网络节点群分成各个大小不一的簇结构，每个簇中均包含一个簇首与若干个成员节点，其中成员节点负责从监测区域中感知环境信息并传送给，簇首，簇首则负责接收成员节点传送的信息，并结合自身感知的环境信息进行数据融合，最后将融合后的信息传送到汇聚节点或基站。与平面拓扑结构相比，本结构的网络生命周期更长，可扩展性更强[33]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]城市综合管廊WSN中TRF-LEACH协议的仿真研究[J]. 周志鑫,郑豪男,周慧敏,邵晨宁,项斌,平昕怡,王思阳,惠国华,易晓梅,李剑,郜园园,赵治栋. 传感技术学报. 2019(02)
[2]地下综合管廊:百年大计 玉汝于成[J]. 柯善北. 中华建设. 2018(11)
[3]基于节点休眠机制的WSN路由优化[J]. 李英磊,吴韶波,黄茂源. 物联网技术. 2017(04)
[4]煤矿井下WSN多重覆盖分簇-休眠调度算法[J]. 崔丽珍,路静超,邬嵩,史明泉,胡海东. 煤矿安全. 2017(03)
[5]无线传感器网络分簇算法综述[J]. 徐晶晶,张欣慧,许必宵,孙知信. 计算机科学. 2017(02)
[6]城市地下综合管廊建设管理模式及关键技术[J]. 谭忠盛,陈雪莹,王秀英,黄明利. 隧道建设. 2016(10)
[7]对地下管廊无线传感器网络LEACH协议的改进[J]. 王丹丹,王姮,张华. 哈尔滨理工大学学报. 2014(01)
[8]WSN路由协议在煤矿安全应用的改进[J]. 范雪,秦宁宁,孙顺远,徐保国. 计算机系统应用. 2012(01)
[9]无线传感器网络的应用与发展概述[J]. 吕九一,陈楠. 科技广场. 2011(03)
[10]WSN中基于分布式机器学习的异常检测仿真研究[J]. 肖政宏,陈志刚,李庆华. 系统仿真学报. 2011(01)
博士论文
[1]面向森林火灾监测的无线传感器网络技术的研究[D]. 张军国.北京林业大学 2010
硕士论文
[1]无线传感器网络TEEN协议数据融合技术的研究[D]. 范鹏飞.武汉理工大学 2014
[2]煤矿井下无线传感器网络可靠路由协议研究[D]. 司永洁.河南理工大学 2014
[3]基于数据融合加权的多权值WSN分簇算法研究[D]. 毕涛.昆明理工大学 2013
[4]基于微粒群和神经网络的无线传感器网络节点定位算法研究[D]. 周书旺.山东师范大学 2011
[5]无线传感器网络节能策略研究[D]. 王德胜.江南大学 2008
本文编号：3464201
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：58 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
地下城市管道综合走廊
杭州电子科技大学硕士学位论文2的传输。并且随着通信和网络技术的不断发展，为了能够随时随地的远程监控管廊内部的情况，节约人力、物力、财力，此时作为无线通信方式的无线传感器网络就开始应用在地下管廊中，也越来越发挥着不可替代的作用，而且相较于通信电缆等有线通信方式，无线传感器网络在架设成本和通信可靠性上均表现出了强大的优势[5]。无线传感器网络[6,7]通常是由一些具有一个或多个的低成本低功耗的传感器节点组成，传感器包含有存储器、电源、处理器，无线收发模块。节点间通过协同工作来监测某一区域，收集该区域的数据。传感器节点因由电池供电而使能量受限，怎样在受限的能量下保证较长的网络生命周期和可靠的传输是无线传感器网络应用的关键。由于无线传感器网络在很多方面具有独特的优势，使得它在国防军事、环境监测以及智能家居等领域[8]有着重要的应用价值。在地下管廊的无线传感器网络中，为提升网络的覆盖率及减少信息的冗余度，节点的放置形式一般是线性或半线性。在地下管廊的一定长度地段内，均有一个汇聚节点，该节点负责接收地段内所有簇首传输的数据。随后，各汇聚节点分别以单跳或多跳的传输形式将融合后的各地段数据信息发送到控制中心进行最终的任务决策，如图1.2所示。因此，为了最大程度地延长网络生命周期，人们需要设计应用于地下管廊的节能高效的无线传感器网络路由协议。图1.1地下城市管道综合走廊图1.2地下管廊中WSN节点部署图
杭州电子科技大学硕士学位论文72相关技术概述无线传感器网络（wirelesssensornetwork，WSN）是一种具有分布式特点的自组织网络，通常由分布在监测区域中大量的集感知、通讯及信息存储与处理等功能于一体的小型传感器节点所组成，节点能够实时且准确地收集监测区域中的环境信息。2.1无线传感器网络结构2.1.1无线传感器网络系统结构无线传感器网由大量的传感器节点组成。通常，根据无线传感器网络中的传感器节点是否分类成簇首节点和普通节点，将无线传感器网络分为两种拓扑结构，分别是平面拓扑结构和分层拓扑结构。2.1.1.1平面拓扑结构无线传感器网络中的节点部署在监测区域内，节点收集到监测区域内的信息，并通过单跳或多跳的传输方式将信息数据传送至基站，经过基站处理融合后。将数据发送给处理中心，进行最后的处理分析[32]。如图2.1所示，在此结构中，网络中的所有节点具有相同的等级，即不存在负责对一定范围内的节点进行收发数据的管理节点。该结构内节点排布简单且便于维护，不足之处在于网络内节点能耗分布极其不均匀。因此，平面拓扑结构不适用于灾区、森林和河流等大规模区域。图2.1WSN平面拓扑结构2.1.1.2分层拓扑结构目前主流的网络结构是分层拓扑结构，如图2.2所示，将网络节点群分成各个大小不一的簇结构，每个簇中均包含一个簇首与若干个成员节点，其中成员节点负责从监测区域中感知环境信息并传送给，簇首，簇首则负责接收成员节点传送的信息，并结合自身感知的环境信息进行数据融合，最后将融合后的信息传送到汇聚节点或基站。与平面拓扑结构相比，本结构的网络生命周期更长，可扩展性更强[33]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]城市综合管廊WSN中TRF-LEACH协议的仿真研究[J]. 周志鑫,郑豪男,周慧敏,邵晨宁,项斌,平昕怡,王思阳,惠国华,易晓梅,李剑,郜园园,赵治栋. 传感技术学报. 2019(02)
[2]地下综合管廊:百年大计 玉汝于成[J]. 柯善北. 中华建设. 2018(11)
[3]基于节点休眠机制的WSN路由优化[J]. 李英磊,吴韶波,黄茂源. 物联网技术. 2017(04)
[4]煤矿井下WSN多重覆盖分簇-休眠调度算法[J]. 崔丽珍,路静超,邬嵩,史明泉,胡海东. 煤矿安全. 2017(03)
[5]无线传感器网络分簇算法综述[J]. 徐晶晶,张欣慧,许必宵,孙知信. 计算机科学. 2017(02)
[6]城市地下综合管廊建设管理模式及关键技术[J]. 谭忠盛,陈雪莹,王秀英,黄明利. 隧道建设. 2016(10)
[7]对地下管廊无线传感器网络LEACH协议的改进[J]. 王丹丹,王姮,张华. 哈尔滨理工大学学报. 2014(01)
[8]WSN路由协议在煤矿安全应用的改进[J]. 范雪,秦宁宁,孙顺远,徐保国. 计算机系统应用. 2012(01)
[9]无线传感器网络的应用与发展概述[J]. 吕九一,陈楠. 科技广场. 2011(03)
[10]WSN中基于分布式机器学习的异常检测仿真研究[J]. 肖政宏,陈志刚,李庆华. 系统仿真学报. 2011(01)
博士论文
[1]面向森林火灾监测的无线传感器网络技术的研究[D]. 张军国.北京林业大学 2010
硕士论文
[1]无线传感器网络TEEN协议数据融合技术的研究[D]. 范鹏飞.武汉理工大学 2014
[2]煤矿井下无线传感器网络可靠路由协议研究[D]. 司永洁.河南理工大学 2014
[3]基于数据融合加权的多权值WSN分簇算法研究[D]. 毕涛.昆明理工大学 2013
[4]基于微粒群和神经网络的无线传感器网络节点定位算法研究[D]. 周书旺.山东师范大学 2011
[5]无线传感器网络节能策略研究[D]. 王德胜.江南大学 2008
本文编号：3464201
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