能量有效的无线传感网分簇路由协议研究

发布时间：2017-04-14 17:03

  本文关键词：能量有效的无线传感网分簇路由协议研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：无线传感器网络从20世纪70年代发展至今,得到了越来越多的重视和应用,尤其是近几年随着“物联网”概念的兴起,无线传感器网络已经渗透到工业、农业、军事、医疗、生活等各个领域。但由于传感器节点的能量受限,使得能量效率成为限制无线传感器网络发展的最主要因素,因此,设计能量有效的路由协议是十分必要的。针对无线传感器网络由于能量消耗不均衡而导致的网络“热区”问题,在非均匀分簇的基础上,综合考虑网络中各节点的剩余能量和相对位置信息,提出一种基于能耗均衡的非均匀分簇路由协议(ECBUC协议)。在选择候选簇首节点时引入能量因子,使剩余能量较高的节点成为簇首的机会更大;在分簇过程中,根据簇首距汇聚节点的距离控制其成簇半径的大小,从而达到非均匀分簇的目的;在选择簇间路由时,综合各簇首节点的能量和位置等信息提出路径影响因子,通过选择路径影响因子更高的节点来建立路径,保证簇间路由的能耗均衡,从而延长网络的生命周期。通过仿真分析可以验证,ECBUC协议有效地平衡了网络各阶段的能耗,与EEUC协议相比,网络生命周期平均延长了22.29%,协议性能稳定,能很好地适应复杂的环境。针对无线传感器网络在数据传输过程中的可靠性和能量高效利用问题,在ECBUC协议的基础上,结合随机线性网络编码技术和多路径路由策略,提出了一种基于网络编码的能量有效多路径分簇路由协议(UCBNC协议),首先,将随机网络编码和多路径分簇路由结合,提出了完整的随机网络编码方案,簇首节点将来自簇成员节点的数据融合后进行编码,再将生成的多个编码包发送到多条路径上传输,每个中间节点将数据重新编码转发,直到汇聚节点可以解码恢复出原始数据;在网络路由机制的设计中立足于ECBUC协议,保留原有的非均匀分簇方法,并将单路径路由发展为多路径路由,增加数据的编码机会,同时均衡各节点的能耗,使数据得到可靠、高效的传输。UCBNC协议利用网络编码在提升网络性能方面的优势与非均匀分簇路由均衡能耗的作用,在均衡网络能耗的同时提高网络的可靠性和网络在数据传输阶段的能量效率。在仿真实验中,将UCBNC协议与ECBUC协议和基于ECBUC协议的多路径路由协议进行对比,通过对成功交付率、标准化冗余度、标准化能量消耗、网络生命周期四个性能指标的比较,验证了UCBNC协议能够提高网络的可靠性,在数据传输的过程中可以更加有效地利用能量,提高网络的能量效率。本文的主要创新点为:(1)在簇的建立过程中,首先在簇首预选阶段引入能量因子,使高能量节点参选的可能性增大;其次通过竞争算法将网络划分为面积不均等的簇,从而改善网络的“热区”问题,均衡网络的能耗。(2)在簇间路由形成阶段提出综合考虑中间节点剩余能量和相对位置的路径影响因子,以协调簇间通信的代价和网络的能量分布,延长网络的生命周期。(3)将随机网络编码与分簇路由结合,提出完整的随机网络编码方案,使网络编码在路由过程中得以实现,针对分簇型无线传感器网络的结构特点设计了基于部分网络编码的路由机制,实现了数据在节点间可靠、高效地传输,提高了网络的可靠性和能量效率。
【关键词】：无线传感器网络 分簇路由 能耗均衡 能量效率 可靠性 网络编码
【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;TP212.9
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 研究的背景与意义11-12
• 1.2 国内外发展现状12-14
• 1.3 论文的主要内容与创新点14-15
• 1.4 论文的组织结构15-17
• 第2章 相关技术介绍17-27
• 2.1 无线传感器网络17-21
• 2.1.1 无线传感器网络概念17-18
• 2.1.2 无线传感器节点结构18
• 2.1.3 无线传感器网络体系结构18-21
• 2.2 网络编码21-25
• 2.2.1 网络编码与路由的比较21-22
• 2.2.2 网络编码的优势及劣势22-24
• 2.2.3 随机线性网络编码24-25
• 2.3 本章小结25-27
• 第3章 无线传感器网络路由协议27-33
• 3.1 无线传感器网络路由协议分类27-29
• 3.2 几种典型的无线传感器网络路由协议29-31
• 3.2.1 分簇路由协议29-31
• 3.2.2 多路径路由协议31
• 3.3 无线传感器网络路由协议设计要求31-32
• 3.4 本章小结32-33
• 第4章 能耗均衡的非均匀分簇路由协议33-45
• 4.1 引言33-34
• 4.2 系统模型34-35
• 4.2.1 网络模型34
• 4.2.2 能耗模型34-35
• 4.3 ECBUC路由协议35-38
• 4.3.1 网络初始阶段35
• 4.3.2 簇的建立35-37
• 4.3.3 簇间路由的建立37-38
• 4.4 仿真及分析38-44
• 4.4.1 仿真参数设置38-39
• 4.4.2 仿真结果分析39-44
• 4.5 本章小结44-45
• 第5章 基于网络编码的能量有效多路径分簇路由协议45-61
• 5.1 引言45
• 5.2 系统模型45-47
• 5.2.1 网络模型45-46
• 5.2.2 性能指标46-47
• 5.3 UCBNC路由协议47-50
• 5.3.1 实用网络编码方案47-48
• 5.3.2 改进的路由机制48-50
• 5.4 性能分析及仿真50-60
• 5.4.1 性能分析51-56
• 5.4.2 仿真参数设置56
• 5.4.3 仿真结果分析56-60
• 5.5 本章小结60-61
• 第6章 总结与展望61-63
• 参考文献63-69
• 作者简介及科研成果69-71
• 致谢71

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本文编号：306426