WSN中双层随机多址协议与LEACH算法的改进与研究

发布时间：2020-03-31 06:21

【摘要】：WSN是实现IOT的关键技术之一,随着5G时代的到来以及相关的技术兴起,WSN展示出广阔的应用前景。WSN的研究领域中,MAC协议和路由协议的研究又是热门的研究方向之一,研究的目标之一就是优化现有协议的性能,提高WSN中有限的资源利用率,降低功耗,提高节点生命周期。本文以WSN为背景,简要分析了经典的争用型随机多址接入协议的数据发送成功率,利用MATLAB进行了软件仿真。并以CC2530射频芯片作为硬件平台,在实际的信道环境中硬件仿真了经典随机多址协议的工作过程,对工作过程中的数据包的收发状态运用python进行保存处理,硬件仿真结果与软件仿真结果和理论结果相符合,验证了理论分析的正确性。针对经典的随机多址协议对信道中重负载适应能力差的缺点,对两种经典随机多址协议进行融合提出了双层随机多址接入协议,对所提出的双层随机多址协议进行了分析并分别在MATLAB和CC2530上进行软件和硬件仿真,结果显示硬件仿真与软件仿真过程相符合,在簇头数和终端节点数足够的情况下仿真结果与理论值较为接近,证实了理论分析的正确性,更适用于方便供电的网络规模较大的场景中。在双层随机多址协议的基础上,结合分层路由算法LEACH,提出了低延迟低功耗和网络能耗均匀的改进算法。改进算法结合了双层随机多址协议和LEACH的优点,在稳定数据传输阶段采用CSMA机制,降低了数据传输延迟;在能量均衡和能耗方面,该策略混进小部分初始能量高的高等节点,在簇头选举时综合考虑节点剩余能量和平均能量,延长了网络生命周期。对改进后算法的数据传输阶段的延时和功耗进行建模分析,并利用MATLAB进行仿真对比,证明了改进算法在延迟、生命周期、网络能耗均衡性以及吞吐量等性能都得到了优化提升。
【图文】：

原理模型,终端

他的任何限制。因此信道中由于多终端同时发送数据造成信息分组碰撞，发生碰撞逡逑的信息分组数据被破坏，因此终端节点需要重新发送破坏的数据包。Ｐ－ＡＬＯＨＡ协逡逑议模型如图２．１所示。逡逑逦逦１逦１逦１逦１逦１逦？终端邋１逡逑逦１邋■—Ｉ逦１逦１逦１逦１邋？邋终端邋２逡逑＿１逦＾￣￣丨逦Ｉ逦？终端邋ｎ逡逑—１＾＾逦凝［聚节点逡逑图２．１邋Ｐ－ＡＬ（川原理模型逡逑如图２．１所示，各终端有信息分组即发送，黑色为信息分组发生碰撞，汇聚节逡逑９逡逑

原理图,原理图,事件出现

Ｔ逡逑图２．２邋Ｓ－ＡＬＯ丨ＩＡ原理图逡逑如图２．２所示，节点共用信道发送数据包，灰色表示汇聚节点成功接收到信息逡逑分组，用Ｕ表示成功接收，黑色表示信息分组碰撞，用Ｂ表示信息分组发生碰撞，逡逑无信息分组发送用丨来表示信道空闲，将时隙长度归一化为１。把信道上的信息分逡逑组分为成功（Ｕ）和不成功（ＢＩ）两种状态，设一次循环周期Ｔ内事件ＢＩ出现ｊ逡逑次，事件Ｕ出现ｉ次，，信息分组到达率为Ｇ，则一次循环周期出现（Ｕ．ＢＩ）事件的逡逑联合概率分布为：逡逑Ｐ（ｉ，ｊ）邋＝邋（Ｇｅ－Ｇ］邋（＼－Ｇｅ－ｃ）＇逦（２．７）逡逑一次循环周期Ｔ内Ｕ事件出现的次数Ｅ（Ｎｕ）为：逡逑ＯＣ邋０Ｃ逡逑）邋＝邋Ｚ邋Ｚ（Ｇｅ＾＇）＇邋（１邋＿逦）＇邋＝邋0邋－邋ＧｅｒＣ，）＂＇逦（２．８）逡逑／＝１邋ｙ＝ｌ逡逑同理一次循环周期Ｔ内Ｂ１事件出现的次数￡（７ＶＳ／）为：逡逑）邋＝邋ｚｊｙ邋（Ｇｅ－＾＇）（（ｌ邋－邋Ｇｅ－＾邋）；邋＝邋｛Ｇｅ￣Ｇｙ＇逦（２．９）逡逑／＝１邋Ｊ＝＼逡逑由于时隙长度为１，所以事件出现的平均次数等于事件的平均长度，因此该系逡逑统的数据发送成功率Ｓ为：逡逑Ｓ邋＝————＝Ｇｅ－°逦（２．１０）逡逑Ｅ（Ｎｒ）邋＋邋Ｅ（ＮＢＩ）逡逑对吞吐量求导
【学位授予单位】：云南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN929.5;TP212.9

【参考文献】