无线传感器网络低能耗分簇路由算法关键技术研究

发布时间：2016-07-06 11:09

  本文关键词：无线传感器网络低能耗分簇路由算法关键技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

《华东理工大学》 2014年

无线传感器网络低能耗分簇路由算法关键技术研究

尹湘源  

【摘要】：随着微电子技术和无线通信技术的不断进步,作为物联网核心技术的无线传感器网络(WSN)技术在最近几年中得到了蓬勃的发展。由于在无线传感器网络中传感器节点一般为电池供电,如何节省传感器节点的能耗和延长无线网络的生存时间是WSN必须面对的难题。国内外学者已对该问题做了大量的研究工作,通过研究表明无线传感器网络的拓扑结构和路由算法优化对延长无线网络的生存时间具有重要意义。 WSN采用平面路由算法时,传感器网络的所有节点在网络拓扑中的地位和功能的重要性是相似的,每个节点都要存储路由表,节点通过路由表进行数据传输,因此平面路由算法较为适用于网络规模小、无线传感器节点较少的传感器网络。相对于平面路由算法,分簇路由算法更符合无线传感器网络基于数据的路由需求,算法通过选取簇头并形成簇群进行数据传输,这种路由算法可以对网络中的节点和数据进行更有效的管理,可以使无线传感器网络具有更好的健壮性和可扩展性,适用于节点较多、规模较大的无线传感器网络。 本文主要对无线传感器网络的单层分簇路由算法、多层分簇路由算法和WSN中能量空洞避免的方法等问题进行了研究,论文研究的内容和创新点如下： (1)针对经典单层分簇路由算法LEACH和其他LEACH-type路由算法所存在着簇头选取过程中簇头数目不确定、选取过程随机以及簇头选取不合理等缺陷,本文提出了基于改进差分进化的单层分簇路由算法MD-IDE。该路由算法首先基于对网络能耗的理论分析确定WSN的最佳簇头数目,然后在差分进化算法中引入模拟退火的思想,该改进差分进化算法可以使簇头的选取过程更加严谨和科学,簇头节点的分布更加合理,能选出最佳的节点作为簇头。本文通过仿真实验对MD-IDE、MD-DE、LEACH、LEACH-C四种路由算法进行了性能比较,仿真结果表明MD-IDE算法在延长网络生存时间和减少整个网络的通信距离等方面,均优于其他三种路由算法。 (2)采用多层分簇路由算法可以很好地克服单层分簇路由算法对无线传感器节点间通信距离要求过高的缺点。本文在前述单层分簇路由算法研究的基础上,结合对其他多层分簇路由算法的优缺点的分析,提出了一种基于改进差分进化的多层分簇路由算法MHCR-IDE。该算法首先对WSN进行合理分层并确定各层的簇头数量,然后利用改进差分进化算法进行簇头选取并形成簇群。之后,在网络的数据传输过程中,在簇群内部,节点可以通过单跳或多跳的方式将数据传输到簇头上,随后在网络的不同层次间,外层簇头将该簇群产生的数据发送到内层簇头上,再逐层转发到Sink节点。该算法采用的这种“层间多跳簇内多跳”的数据传输方式可以极大地降低网络对节点传输距离的要求,使算法的实用性大大加强。本文通过仿真实验对MHCR-IDE与Multihop-LEACH算法进行了性能比较,仿真结果表明基于改进差分进化算法的MHCR-IDE算法在减少整个网络的通信距离、减少节点能量消耗和延长网络生存时间方面均优于Multihop-LEACH算法。 (3)针对多层分簇路由算法和多跳路由算法中可能出现的“能量空洞”问题,本文首先对能量空洞的成因进行了理论分析,并通过无线传感器节点能量消耗等相关理论验证了在一定条件下非均匀分簇和节点休眠机制相结合可以避免“能量空洞”的产生。在此基础上,本文提出了基于非均匀分层和节点休眠机制相结合的能量空洞避免算法EHAA-NSUL。该算法首先按照靠近Sink节点的内层总能量大于外层总能量的原则对整个WSN进行非均匀分层,并根据各层节点剩余能量将节点分为休眠节点和工作节点。在此基础上采用改进差分进化算法在各层工作节点中进行簇头选取并形成簇群,进而完成多层无线网络拓扑结构的建立。最后通过仿真实验验证EHAA-NSUL算法的性能,实验表明该算法可以有效地缓解无线传感器网络中“能量空洞”现象的产生。 (4)随着无线传感器网络技术的不断成熟,在实际当中无线传感器网络技术可以较为容易的与其他技术如语音识别、图像采集等相结合,这样可以极大地扩展无线传感器网络的应用范围。本文自主研发了基于ZigBee协议的JPEG图像传输系统和语音辨识远程控制系统两个无线传感器网络系统,以这两个系统为例分析了实际应用中无线传感器网络系统的开发过程和设计方法。 本文所提出的几种无线传感器网络分簇路由算法以及所介绍的无线传感器网络系统的开发过程、设计方法为今后开发更为复杂的中型或大型规模的WSN系统提供了坚实的基础。

【关键词】：
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP212.9;TN929.5
【目录】：

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中国期刊全文数据库 前10条

1 苏波;李艳秋;于红云;尚永红;;从环境中获取能量的无线传感器节点[J];传感技术学报;2008年09期

2 杭海存;郭爱煌;舒文杰;;基于LEACH与蚁群算法的WSN路由机制及性能分析[J];传感技术学报;2008年10期

3 周冬鑫;金文光;容志能;;基于分层的无线传感网络多跳分簇路由算法[J];传感技术学报;2011年01期

4 尚凤军;任东海;;无线传感器网络中分布式多跳路由算法研究[J];传感技术学报;2012年04期

5 雷霖;李伟峰;王厚军;;基于遗传算法的无线传感器网络路径优化[J];电子科技大学学报;2009年02期

6 刘林峰;刘业;庄艳艳;;高效能耗传感器网络的模型分析与路由算法设计[J];电子学报;2007年03期

7 孙彦景;田红;王迎;;多Sink协同移动的最大化网络生存期优化算法[J];传感技术学报;2012年10期

8 马建乐;杨军;;基于位置和剩余能量的局部集中式LEACH算法研究[J];传感技术学报;2013年08期

9 邬春学;肖丽;;基于蚁群算法的低能耗LEACH协议分析[J];上海理工大学学报;2010年01期

10 陈延军;潘泉;耶刚强;梁彦;;基于蚁群-遗传的无线传感器网络路由算法[J];湖南大学学报(自然科学版);2009年07期

中国博士学位论文全文数据库 前9条

1 刘新华;无线传感器网络功率控制与分簇路由算法研究[D];武汉理工大学;2010年

2 孙中皋;无线传感器网络能量高效路由协议研究[D];大连海事大学;2011年

3 薛伟莲;无线传感器网络路由技术的若干关键问题研究[D];大连理工大学;2011年

4 刘荣辉;多阶段自适应差分进化算法及应用研究[D];东华大学;2012年

5 陈磊;分簇传感器网络的优化方法的研究[D];中国科学技术大学;2009年

6 温俊;能量高效的无线传感器网络覆盖控制技术研究[D];国防科学技术大学;2009年

7 周新莲;基于分簇技术的移动无线传感器网络数据收集协议研究[D];中南大学;2010年

8 高翔;无线传感器网络低功耗路由与节点目标跟踪定位研究[D];西安电子科技大学;2011年

9 董明刚;基于差分进化的优化算法及应用研究[D];浙江大学;2012年

【共引文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 王远;陈远知;杨仕勇;;一种新型的高能效无线传感器网络路由协议[J];中国传媒大学学报(自然科学版);2008年02期

2 朱思峰;刘方;柴争义;;一种基于蚁群优化的无线传感器网络路由算法[J];北京理工大学学报;2010年11期

3 邹洋;李晶;;传感器网络路由协议的比较研究[J];重庆邮电学院学报(自然科学版);2006年S1期

4 张怡;李云;刘占军;聂能;;无线传感器网络中基于能量的簇首选择改进算法[J];重庆邮电大学学报(自然科学版);2007年05期

5 杜金玲;邝育军;袁红;刘雄展;;虚拟天线阵列小区划分方案的性能分析[J];重庆邮电大学学报(自然科学版);2008年06期

6 魏伟;史浩山;刘明;;传感器网络分层多路径路由协议[J];传感技术学报;2007年06期

7 邢云冰;史浩山;赵洪钢;;基于备用节点的无线传感器网络LEACH协议的改进[J];传感技术学报;2007年07期

8 刘刚;李志刚;周兴社;;传感器网络中基于差异化加权数据压缩的汇聚算法[J];传感技术学报;2007年07期

9 陈静;沈鸿;;MELEACH一个高效节能的WSN路由协议[J];传感技术学报;2007年09期

10 马峻岩;李志刚;周兴社;;一种高效可扩展的传感器网络系统状态监测协议[J];传感技术学报;2007年12期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 ;Energy Efficient Routing Protocol Based on Residual Energy and Energy Consumption Rate for Heterogeneous Wireless Sensor Networks[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年

2 赵娟;蔡涛;邓方;杨红伟;;基于改进差分进化算法的脉冲控制方法[A];中国自动化学会控制理论专业委员会B卷[C];2011年

3 王亚楠;陈杰;甘明刚;;基于差分进化的改进粒子滤波目标跟踪算法[A];中国自动化学会控制理论专业委员会C卷[C];2011年

4 易军;黄河;李太福;;基于DPSO的无线传感器网络QOS路由算法[A];中国自动化学会控制理论专业委员会C卷[C];2011年

5 于新生;曹志敏;李思忍;龚德俊;唐功友;张晓东;;基于海底观测站的深海水下无线监测网络[A];中国海洋学会2005年学术年会论文汇编[C];2005年

6 韦小铃;王玉斌;余兴超;董荣胜;;无线传感器网络LEACH路由协议的研究与改进[A];广西计算机学会2010年学术年会论文集[C];2010年

7 姚兰;罗磊;高福祥;;基于恶意节点检测的多路径安全路由协议[A];2009中国控制与决策会议论文集（3）[C];2009年

8 ;A Novel Non-Uniform Node Distribution Strategy for Wireless Sensor Networks[A];Proceedings of the 2011 Chinese Control and Decision Conference（CCDC）[C];2011年

9 孙昊;;无线传感器网络中能量有效路由协议的研究与分析[A];四川省通信学会2007年学术年会论文集[C];2007年

10 崔凤云;李玉华;刘晓庆;;无线传感器网络路由协议比较研究[A];2008年中国西部青年通信学术会议论文集[C];2008年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 王蕊;无线传感器网络部署与拓扑控制研究[D];哈尔滨工程大学;2009年

2 高艺;能源自给低功耗无线传感器网络关键技术研究[D];南开大学;2010年

3 杨建国;电站锅炉煤粉空气富氧直接点火技术的理论及应用研究[D];浙江大学;2010年

4 魏博;无线传感器网络节能机制关键技术研究[D];解放军信息工程大学;2009年

5 张霞;无线传感器网络路由协议若干关键问题研究[D];解放军信息工程大学;2009年

6 刘新华;无线传感器网络功率控制与分簇路由算法研究[D];武汉理工大学;2010年

7 杨靖;无线传感器网络中高能效数据收集协议的研究[D];江南大学;2010年

8 柳虔林;离散时间完全与限定（K=1）服务两级轮询系统理论研究[D];云南大学;2010年

9 张明明;面向量子可逆逻辑自动综合的多目标进化算法研究[D];东华大学;2010年

10 肖伟;无线传感器网络自适应数据容错关键技术研究[D];国防科学技术大学;2010年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 乔田田;无线传感器网络路由协议研究[D];山东科技大学;2010年

2 张永琦;无线传感器网络中基于网关的分级簇算法研究[D];郑州大学;2010年

3 杨伟伟;基于LEACH的WSN分簇路由协议研究[D];郑州大学;2010年

4 赵丹丹;基于QoS路由路径优化的网络拥塞控制[D];郑州大学;2010年

5 朱玉芳;无线传感器网络中基于能量的发散簇树算法研究[D];郑州大学;2010年

6 雷鸣;无线传感网络与环境信息采集技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年

7 朱梅冬;基于ZigBee的森林火灾监测系统的设计与实现[D];哈尔滨工程大学;2010年

8 倪晶晶;无线传感器网络中节能机制的研究[D];大连理工大学;2010年

9 雷健;基于进化算法的属性约简方法研究[D];长沙理工大学;2010年

10 袁强;基于密集部署的无线传感器网络路由算法研究[D];长沙理工大学;2010年

【二级参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 曹恒智;余先川;;单亲遗传模拟退火及在组合优化问题中的应用[J];北京邮电大学学报;2008年03期

2 李剑;景博;;自适应遗传算法在多边多议题协商中的应用[J];北京邮电大学学报;2008年06期

3 孙其博;刘杰;黎羴;范春晓;孙娟娟;;物联网:概念、架构与关键技术研究综述[J];北京邮电大学学报;2010年03期

4 杨挺,孙雨耕,杨郁;无线传感器网络中一种节省资源的快速重路由算法[J];传感技术学报;2005年03期

5 吴臻;金心宇;;无线传感器网络的LEACH算法的改进[J];传感技术学报;2006年01期

6 周贤伟;刘宾;覃伯平;;无线传感器网络的路由算法研究[J];传感技术学报;2006年02期

7 刘丽萍;王智;孙优贤;;无线传感器网络中的资源优化[J];传感技术学报;2006年03期

8 应必娣;陈惠芳;赵问道;仇佩亮;;低能耗无线传感器网络路由算法[J];传感技术学报;2007年05期

9 胡钢;谢冬梅;吴元忠;;无线传感器网络路由协议LEACH的研究与改进[J];传感技术学报;2007年06期

10 张朋;陈明;何鹏举;;一种能量有效控制的实时无线传感器网络路由协议[J];传感技术学报;2007年09期

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 王勇;基于进化算法求解复杂连续优化问题的研究[D];中南大学;2011年

2 吴孙勇;天基预警雷达微弱动目标检测与定位方法研究[D];西安电子科技大学;2011年

3 王笑蓉;蚁群优化的理论模型及在生产调度中的应用研究[D];浙江大学;2003年

4 林瑞仲;面向目标跟踪的无线传感器网络研究[D];浙江大学;2005年

5 郑增威;基于能量高效的传感器网络路由算法研究[D];浙江大学;2005年

6 任彪;无线传感器网络节能机制与移动性的研究[D];北京邮电大学;2006年

7 徐建波;无线传感器网络分布式分簇和节能的数据收集协议研究[D];湖南大学;2008年

8 匡兴红;无线传感器网络中定位跟踪技术的研究[D];上海交通大学;2008年

9 张敏;约束优化和多目标优化的进化算法研究[D];中国科学技术大学;2008年

10 田莹;无线传感器网络节能机制与分布式定位算法研究[D];大连海事大学;2008年

中国硕士学位论文全文数据库 前4条

1 刘亚穹;Peer-to-Peer网络环境下声誉系统的研究[D];大连理工大学;2010年

2 李龙连;基于拓扑管理的无线传感器网络路由算法研究[D];浙江大学;2006年

3 狄倩;无线传感器网络定位算法的研究[D];西安电子科技大学;2008年

4 严海峰;一种无线传感器网络的路由策略研究[D];大连海事大学;2010年

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 纪红;无线传感器网络:未来新的高技术产业[J];当代通信;2004年21期

2 李志刚,周兴社;传感器网络[J];计算机应用研究;2004年12期

3 臧丽娜;许明;赵晶;;无线传感器网络的研究与应用[J];商场现代化;2006年27期

4 胡晓荷;;将安全从鸵鸟做到麻雀——北京理工大学胡昌振教授谈无线传感器网络安全[J];信息安全与通信保密;2006年10期

5 刘月阳;李娜娜;纪红;乐光新;;无线传感器网络中基于能量的成簇协议[J];无线电工程;2006年10期

6 马碧春;;无线传感器网络在医疗行业的应用展望[J];中国医院管理;2006年10期

7 戴宁江;邱慧敏;;无线传感器网络的安全问题及对策[J];中国无线电;2006年10期

8 姜华;袁晓兵;付耀先;刘海涛;;无线传感器网络中信道仿真模型的研究[J];计算机仿真;2006年11期

9 邱建林;陆桑璐;陈道蓄;;一种无线传感器网络的多优先级数据聚集协议[J];小型微型计算机系统;2006年11期

10 陆克中;黄刘生;万颍渝;徐宏力;;无线传感器网络中传感器节点的布置[J];小型微型计算机系统;2006年11期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 唐云龙;;无线传感器网络系统实验分析[A];工程设计与计算机技术：第十五届全国工程设计计算机应用学术会议论文集[C];2010年

2 杜景林;陈力军;谢立;;无线传感器网络与互联网集成体系结构[A];2008年全国开放式分布与并行计算机学术会议论文集(下册)[C];2008年

3 刘昊;;面向电子智能服装的人体无线传感器网络构建[A];“力恒杯”第11届功能性纺织品、纳米技术应用及低碳纺织研讨会论文集[C];2011年

4 李华;李文秀;;无线传感器网络技术在养殖业污染防治上的应用前景[A];全国畜禽和水产养殖污染监测与控制治理技术交流研讨会论文集[C];2008年

5 李洁;任海风;;K重覆盖无线传感器网络优化[A];中国计量协会冶金分会2011年会论文集[C];2011年

6 余旻晖;唐亮;;无线传感器网络技术现状及应用[A];中国通信学会信息通信网络技术委员会2011年年会论文集（下册）[C];2011年

7 李凤保;李凌;;无线传感器网络技术综述[A];第七届青年学术会议论文集[C];2005年

8 吴晓蓓;黄成;徐志良;;传感器网络工作效率研究[A];2005全国自动化新技术学术交流会论文集（三）[C];2005年

9 吴荣泉;钱立群;;无线传感器网络概述[A];普适计算及其软件新技术——第三届长三角计算机科技论坛文集[C];2006年

10 孙丹宁;;影响无线传感器网络性能实现的关键因素分析[A];2006全国复杂网络学术会议论文集[C];2006年

中国重要报纸全文数据库 前10条

1 罗清岳;[N];电子资讯时报;2007年

2 ;[N];中国计算机报;2006年

3 美国专利律师 谭文晔　薛之扬;[N];科技日报;2010年

4 本报记者 赵建国;[N];中国知识产权报;2011年

5 樊哲高;[N];中国电子报;2012年

6 本报记者 王博;[N];计算机世界;2012年

7 温雅路;[N];人民邮电;2008年

8 彭伟 卢锡城;[N];计算机世界;2004年

9 林宗辉;[N];电子资讯时报;2007年

10 特约撰稿 江家兴;[N];通信信息报;2007年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 刘华峰;传感器网络三维拓扑组织及分簇算法研究[D];国防科学技术大学;2007年

2 高英明;无线传感器网络能量管理技术与理论研究[D];大连理工大学;2009年

3 刘明;无线传感器网络的资源异构及能效管理研究[D];华中科技大学;2009年

4 唐林俊;无线传感器网络若干基础问题的建模与分析[D];上海大学;2009年

5 崔筱宁;基于传感器网络的扩散型事件监测技术研究[D];中国科学技术大学;2010年

6 陆星家;面向普适医疗的无线传感器网络研究[D];东华大学;2009年

7 霍宏伟;医疗护理无线传感器网络系统关键技术研究[D];北京交通大学;2010年

8 姜楠;无线传感器网络自组织演化模型及其关键技术研究[D];南京航空航天大学;2008年

9 高艺;能源自给低功耗无线传感器网络关键技术研究[D];南开大学;2010年

10 袁久银;无线传感器网络节点能量均衡策略及控制算法研究[D];重庆大学;2009年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 彭霁;无线传感器网络的节能与可靠性研究[D];电子科技大学;2008年

2 陆莹;基于无线传感器网络的组网可靠性研究[D];天津大学;2007年

3 潘虎;煤矿安全监控无线传感器网络系统研究[D];华中科技大学;2007年

4 张杉;无线传感器网络通信机制的研究[D];电子科技大学;2008年

5 宋保业;无线传感器网络关键技术研究[D];青岛科技大学;2008年

6 米琦;基于多维变换的无线传感器网络定位算法研究[D];上海交通大学;2007年

7 魏宝玲;利用无线传感器网络实施道路维护与监控[D];国防科学技术大学;2006年

8 蔡新文;无线传感器网络路由协议研究[D];西安电子科技大学;2008年

9 陈喆;传感器网络环境下的反监控算法研究[D];湖南大学;2008年

10 张卫华;温室低时延高效无线传感器网络的研究[D];江苏大学;2009年

  本文关键词：无线传感器网络低能耗分簇路由算法关键技术研究，，由笔耕文化传播整理发布。

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