无线传感器网络分簇路由协议的设计及应用
发布时间：2021-03-21 02:16
随着传感技术、通信技术、微电子电路的持续创新和进步,无线传感器网络（Wireless Sensor Networks,WSN）在制造业、农业以及国防科技等领域的应用中越来越普遍,几乎所有的远程监测应用都使用了WSN,这些应用通过传感器从现场感知信息并将其以无线方式传输到计算机层面。但传感器节点体积小,自带的电源容量受限,所以怎样降低节点在感知信息和转发信息过程中的能量消耗以延长网络寿命是WSN的重点问题。本文从高效利用网络节点能量的角度出发,分析现有分簇路由协议的特点,针对节点均匀分布和节点非均匀分布两种状态下的相关路由协议进行了研究和改进,并将设计的节点非均匀分布状态下的WSN路由协议应用于校园防火监测系统。节点均匀分布下的WSN路由协议设计（RPUDN）:在节点分布均匀的网络中,可简化分簇过程,快速成簇,减小控制开销。协议将节点覆盖的区域划分为多个等距环,以能耗最小化来计算离汇聚节点最近一环的最优簇首数,再以各环节点的能耗相等算出其余环的最优簇首数,进而得出每环平均每个簇的节点数,节点以计数的方式完成分簇阶段,然后在簇内选出一个优质的节点负责簇首工作,最后利用改进的引力搜索算法建立...
【文章来源】：江西理工大学江西省
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
EEUC协议非均匀分簇示意图
第三章节点均匀分布状态下的WSN路由协议设计283.4.2仿真结果分析（1）簇首能耗方差簇首能耗方差可以反映簇首负载的均衡性，图3.4是从实验结果中选取10轮的簇首能耗方差。因为CCEHAM协议中所有簇的规模相同，外环簇首收集的数据向内逐环传送，直到到达汇聚节点，导致内环的簇首比外环的能耗大，因此簇首能耗方差大，且每轮变化大；RECRA协议把节点覆盖区域分为数据汇聚区和非数据汇聚区，其簇首能耗方差比CCEHAM协议的小；RPUDN采用记数的方式完成分簇，同一环的簇的成员数相等，而内环的簇内成员数比外环的小，使得簇首能耗更加平衡。图3.4簇首能耗方差（2）存活节点通过实验得到每轮存活节点的个数如图3.5所示。CCEHAM协议出现节点死亡的时间最早，因为该协议采用均匀分簇的方法使得内环的簇首负载过大而出现过早死亡；RECRA协议对汇聚区域的节点不划分簇，节点感知的信息直接传送至Sink节点，其节点死亡时间相对CCEHAM的晚；而RPUDN协议出现节点死亡的时间比CCEHAM和RECRA晚，因为RPUDN协议中内环的簇内成员数较少，为簇首省出更多的能量来转发外环节点收集的数据，改善部分节点过早死亡的问题。（3）节点剩余能量通过实验得到节点剩余能量随轮数增加的变化如图3.6所示。CCEHAM协议能量耗尽最早，因为该协议中内环的节点失效后，外环节点感知的信息要发送到Sink节点，其距离大，消耗能量快；RECRA协议在汇聚区域内不进行分簇，节省了分簇控制开销，其能耗情况相比CCEHAM协议有所改善；RPUDN协议利用改进的引力搜索算法建立
第三章节点均匀分布状态下的WSN路由协议设计29图3.5存活节点通信路由，快速找到全局最优传输路径，并指导收集的数据沿选定路径传输到Sink节点，节能效果较好。图3.6节点剩余能量（4）接收数据包量仿真3种协议的接收数据包量如图3.7所示。CCEHAM协议接收的数据包量最少，RECRA协议次之，RPUDN协议的最多。因为CCEHAM协议形成的簇规模相等，外环的数据向内环转发，致使内环簇首过早死亡，节点覆盖分割，数据丢包率大；RECRA协议因每轮分簇能耗大，节点死亡速度快，监测区域内的节点数量减少，接收的数据包量也少；RPUDN协议的节点能耗比较均衡，监测覆盖范围比CCEHAM和RECRA的广，因此接收到的数据包量多。RPUDN协议最终接收的数据包量比CCEHAM协议增加
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于FCM聚类的WSN加权概率簇头选择算法[J]. 赵立新,董朝贤,赵丽. 控制工程. 2019(06)
[2]Research on Improved Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy Protocol in Wireless Sensor Networks[J]. 张颖,李培嵩,毛林. Journal of Shanghai Jiaotong University（Science）. 2018(05)
[3]基于四叉树多层次数据融合的无线传感网络路由协议研究[J]. 聂云峰,汪涛,鄢化鹏,吴文波. 传感技术学报. 2018(09)
[4]基于虚拟力的能耗均衡层次路由协议[J]. 金鑫,易晓梅,吴鹏. 传感技术学报. 2018(02)
[5]基于蚁群优化的无线传感器网络最适路由算法[J]. 孙宗星,蔡丽萍,李世宝. 计算机与现代化. 2017(08)
[6]基于农田无线传感网络的分簇路由算法[J]. 江冰,毛天,唐大卫,邬智俊,韩光洁. 农业工程学报. 2017(16)
[7]基于粒子群聚类优化的分簇路由算法[J]. 梁青,鲁剑. 西安邮电大学学报. 2017(04)
[8]基于环的能耗均衡分簇路由算法[J]. 孙超,彭力,唐波. 计算机应用研究. 2018(06)
[9]基于环的节点非均匀分布分簇算法[J]. 孙超,彭力,朱雪芳. 计算机应用. 2017(06)
[10]基于EEUC协议的非全局分簇路由协议[J]. 何传波,覃琪. 电脑知识与技术. 2017(08)
博士论文
[1]无线传感器网络能量优化路由算法研究[D]. 江海峰.中国矿业大学 2010
硕士论文
[1]基于改进遗传算法的WSN能量均衡路由算法研究[D]. 陈亚楠.安徽理工大学 2019
[2]一种基于能量均衡的无线传感器网络的机会泛洪协议[D]. 王浩.中北大学 2012
[3]无需测距的无线传感器网络定位算法研究[D]. 袁风鹏.上海交通大学 2010
[4]无线传感器网络的能量有效路由协议研究[D]. 武伟.山东大学 2009
本文编号：3092121
【文章来源】：江西理工大学江西省
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
EEUC协议非均匀分簇示意图
第三章节点均匀分布状态下的WSN路由协议设计283.4.2仿真结果分析（1）簇首能耗方差簇首能耗方差可以反映簇首负载的均衡性，图3.4是从实验结果中选取10轮的簇首能耗方差。因为CCEHAM协议中所有簇的规模相同，外环簇首收集的数据向内逐环传送，直到到达汇聚节点，导致内环的簇首比外环的能耗大，因此簇首能耗方差大，且每轮变化大；RECRA协议把节点覆盖区域分为数据汇聚区和非数据汇聚区，其簇首能耗方差比CCEHAM协议的小；RPUDN采用记数的方式完成分簇，同一环的簇的成员数相等，而内环的簇内成员数比外环的小，使得簇首能耗更加平衡。图3.4簇首能耗方差（2）存活节点通过实验得到每轮存活节点的个数如图3.5所示。CCEHAM协议出现节点死亡的时间最早，因为该协议采用均匀分簇的方法使得内环的簇首负载过大而出现过早死亡；RECRA协议对汇聚区域的节点不划分簇，节点感知的信息直接传送至Sink节点，其节点死亡时间相对CCEHAM的晚；而RPUDN协议出现节点死亡的时间比CCEHAM和RECRA晚，因为RPUDN协议中内环的簇内成员数较少，为簇首省出更多的能量来转发外环节点收集的数据，改善部分节点过早死亡的问题。（3）节点剩余能量通过实验得到节点剩余能量随轮数增加的变化如图3.6所示。CCEHAM协议能量耗尽最早，因为该协议中内环的节点失效后，外环节点感知的信息要发送到Sink节点，其距离大，消耗能量快；RECRA协议在汇聚区域内不进行分簇，节省了分簇控制开销，其能耗情况相比CCEHAM协议有所改善；RPUDN协议利用改进的引力搜索算法建立
第三章节点均匀分布状态下的WSN路由协议设计29图3.5存活节点通信路由，快速找到全局最优传输路径，并指导收集的数据沿选定路径传输到Sink节点，节能效果较好。图3.6节点剩余能量（4）接收数据包量仿真3种协议的接收数据包量如图3.7所示。CCEHAM协议接收的数据包量最少，RECRA协议次之，RPUDN协议的最多。因为CCEHAM协议形成的簇规模相等，外环的数据向内环转发，致使内环簇首过早死亡，节点覆盖分割，数据丢包率大；RECRA协议因每轮分簇能耗大，节点死亡速度快，监测区域内的节点数量减少，接收的数据包量也少；RPUDN协议的节点能耗比较均衡，监测覆盖范围比CCEHAM和RECRA的广，因此接收到的数据包量多。RPUDN协议最终接收的数据包量比CCEHAM协议增加
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于FCM聚类的WSN加权概率簇头选择算法[J]. 赵立新,董朝贤,赵丽. 控制工程. 2019(06)
[2]Research on Improved Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy Protocol in Wireless Sensor Networks[J]. 张颖,李培嵩,毛林. Journal of Shanghai Jiaotong University（Science）. 2018(05)
[3]基于四叉树多层次数据融合的无线传感网络路由协议研究[J]. 聂云峰,汪涛,鄢化鹏,吴文波. 传感技术学报. 2018(09)
[4]基于虚拟力的能耗均衡层次路由协议[J]. 金鑫,易晓梅,吴鹏. 传感技术学报. 2018(02)
[5]基于蚁群优化的无线传感器网络最适路由算法[J]. 孙宗星,蔡丽萍,李世宝. 计算机与现代化. 2017(08)
[6]基于农田无线传感网络的分簇路由算法[J]. 江冰,毛天,唐大卫,邬智俊,韩光洁. 农业工程学报. 2017(16)
[7]基于粒子群聚类优化的分簇路由算法[J]. 梁青,鲁剑. 西安邮电大学学报. 2017(04)
[8]基于环的能耗均衡分簇路由算法[J]. 孙超,彭力,唐波. 计算机应用研究. 2018(06)
[9]基于环的节点非均匀分布分簇算法[J]. 孙超,彭力,朱雪芳. 计算机应用. 2017(06)
[10]基于EEUC协议的非全局分簇路由协议[J]. 何传波,覃琪. 电脑知识与技术. 2017(08)
博士论文
[1]无线传感器网络能量优化路由算法研究[D]. 江海峰.中国矿业大学 2010
硕士论文
[1]基于改进遗传算法的WSN能量均衡路由算法研究[D]. 陈亚楠.安徽理工大学 2019
[2]一种基于能量均衡的无线传感器网络的机会泛洪协议[D]. 王浩.中北大学 2012
[3]无需测距的无线传感器网络定位算法研究[D]. 袁风鹏.上海交通大学 2010
[4]无线传感器网络的能量有效路由协议研究[D]. 武伟.山东大学 2009
本文编号：3092121
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