基于LEACH协议改进的物联网能耗均衡路由算法

发布时间：2017-05-22 12:14

  本文关键词：基于LEACH协议改进的物联网能耗均衡路由算法，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着物联网战略发展的提出,物联网所涉及的多种关键技术均在不同程度上引起了研究者的注意,如作为物联网重要的感知层技术——无线传感器网络在经历了多年的独立发展后又重新得到了研究者的青睐。物联网向来都是依靠感知层网络来完成信息获取和数据传输的,而数据传输大都依赖于路由协议,因而针对物联网感知层的路由协议来开展研究无疑可以推动物联网的发展和进步。经过研究者们的不懈努力,多种面向物联网的路由协议被提出,然而这些协议大多都是针对特定的应用环境所提出的,且只能改善网络中的某些特定性能,并不能照顾到网络中的方方面面。故本文经过对物联网和无线传感器网络的路由协议研究现状进行详尽的分析和总结后,并重点考虑到物联网的能耗、负载均衡及大规模问题,决定从无线传感器网络中的LEACH路由协议入手来进行研究。本文全面地介绍了LEACH协议的工作过程并总结了该协议的优缺点,且针对其面向物联网所存在的缺点,作出了相应的改进。LEACH协议公平竞选簇首并经簇首转发数据至基站的方式有效地节省了能耗,且采用分布式计算的机制加快了网络的应急反应,实现简单,鲁棒性好。但是,其随机选取簇首的方式易出现分簇不均匀、簇的大小不协调等问题,且网络规模不同其所需的分簇个数也应有所区别,这些问题均会不同程度地影响网络的能耗问题,故本文基于LEACH协议进行研究和改进,为更大程度地节省网络能耗,提出了三个改进点:1.针对簇首数目难确定的问题,提出了一种新的计算最优簇首数目的方法。通过最小化簇的形成阶段和稳定传输阶段的总能耗的方法得到最优簇首数目,可使网络更加合理地进行数据融合和传输,进而充分发挥LEACH分簇算法的节能优势。2.针对分簇不均匀及能耗不合理的问题,提出了一种新的基于K-Means聚类算法的LEACH分簇算法。在聚类中心更新处,采用截尾平均数的计算方法,以弥补原K-Means聚类算法对离群数据敏感的不足,使分簇更加均匀;为使每次得到的分簇结果能耗最小,引入新的标准测度函数,从而使该分簇方法更节能。3.针对随机选取簇首容易导致节点过早死亡的问题,提出了一种新的簇首选取算法。在稳定的聚类中心处,根据簇首节点的剩余能量以及簇首节点与聚类中心及基站的距离来选取合适的簇首,以达到物联网的负载均衡的目的。最后,本文对新提出的最优簇首数目进行了仿真验证,并证实了算法的有效性。对原LEACH算法、原LEACH-K算法及改进后的LEACH-KDE算法进行了仿真分析和对比。经验证得知,选取合适的簇首数目在一定程度上节省了网络能耗、延长了节点存活时间;且LEACH-KDE算法不但使分簇更加均匀化,而且其在节点存活时间和网络生命周期等方面都要优于原算法。
【关键词】：物联网 路由协议 无线传感器网络 LEACH K-Means
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN929.5;TP391.44
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-18
• 1.1 引言10
• 1.2 课题研究背景及意义10-13
• 1.3 课题研究现状13-14
• 1.4 本文研究内容与章节安排14-18
• 第2章 物联网及其路由协议分析18-28
• 2.1 物联网简析18-24
• 2.1.1 物联网的定义18
• 2.1.2 物联网的特征18-19
• 2.1.3 物联网的体系架构19-22
• 2.1.4 物联网的关键技术22-24
• 2.2 物联网中路由协议分析24-25
• 2.2.1 物联网路由协议分类24
• 2.2.2 基于 6LoWPAN的物联网路由协议24-25
• 2.2.3 基于传统协议的物联网路由协议25
• 2.3 无线传感器网络在物联网中所起的作用25-26
• 2.4 本章小结26-28
• 第3章 无线传感器网络及其路由协议分析28-42
• 3.1 无线传感器网络简析28-33
• 3.1.1 无线传感器网络概述28-29
• 3.1.2 无线传感器网络体系结构29-31
• 3.1.3 无线传感器网络的关键技术31-32
• 3.1.4 面向物联网的无线传感器网络的技术挑战32-33
• 3.2 无线传感器网络中路由协议概述33-35
• 3.2.1 无线传感器网络路由协议设计的目标和要求33-34
• 3.2.2 无线传感器网络路由协议分类34-35
• 3.3 无线传感器网络中路由协议分析35-41
• 3.3.1 平面路由协议35-38
• 3.3.2 分簇路由协议38-41
• 3.3.3 典型路由协议性能比较41
• 3.4 本章小结41-42
• 第4章 LEACH路由算法的研究与改进42-58
• 4.1 LEACH路由算法42-47
• 4.1.1 基本思想42
• 4.1.2 网络模型42
• 4.1.3 能耗模型42-43
• 4.1.4 算法具体描述43-46
• 4.1.5 LEACH算法存在的问题46-47
• 4.2 LEACH路由改进算法的设计47
• 4.3 最优簇首数目的计算47-50
• 4.4 基于改进型K-Means聚类算法的LEACH分簇算法50-54
• 4.4.1 聚类分析50-51
• 4.4.2 K-Means聚类算法分析51-53
• 4.4.3 改进型K-Means聚类算法优化分簇53-54
• 4.5 选取最优簇首节点54-55
• 4.6 本章小结55-58
• 第5章 仿真结果及性能分析58-66
• 5.1 仿真环境及参数设置58-59
• 5.2 最优簇首数目的仿真与分析59-60
• 5.3 LEACH-KDE算法的仿真与分析60-65
• 5.3.1 分簇均匀性仿真分析60-62
• 5.3.2 网络生命周期性能仿真分析62-65
• 5.4 本章小结65-66
• 第6章 全文总结与展望66-68
• 6.1 全文总结66-67
• 6.2 下一步工作展望67-68
• 参考文献68-74
• 作者简介74
• 攻读硕士期间取得的科研成果74-76
• 致谢76

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