基于分簇技术的无线自组传感器网络智能路由算法改善研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 1.06MB 58 页 15积分

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摘要

集成了传感器、微机电系统和网络三大技术而形成的传感器网络是一种全新

的信息获取和处理技术。无线传感器网络因其巨大的应用前景而受到学术界和工

业界越来越广泛的重视，在无线传感器网络体系结构中,网络层的路由技术至关重

要。分簇路由具有拓扑管理方便、能量利用高效、数据融合简单等优点,成为当前

重点研究的路由技术。

在无线传感器网络分簇算法的网络模型中，越靠近基站的簇首其转发任务越

频繁，从而造成能耗更多，传统分簇算法中对此问题的考虑较少。簇首作为簇的

中心，负责收集簇成员的数据，簇首消耗的能量远大于簇成员，因此，簇首的选

择至关重要。

为了使无线传感器网络的空间资源得到优化分配，更好地完成环境感知、信

息获取、有效传输及减少网络中能量的消耗的任务。通过对无线传感器网络中分

簇算法的分析，结合LEACH和LEACH-C算法，提出了基于Voronoi图的簇首分布

及备份方案。仿真结果表明，与LEACH协议比较，该算法保证了簇首在网络中的

均匀分布，降低了网络的通信开销，簇首备份机制提高了分簇方案的可靠性，保

证了网络的负载均衡。

本论文又提出一种新颖的基于非规则分簇的无线传感器网络多跳路由协议。

它的核心是一个用于组织网络拓扑的能量高效的非规则分簇算法，其中候选簇首

通过使用非规则的竞争范围来构造大小不等的簇。靠近汇聚点的簇的规模小于远

离汇聚点的簇，因此靠近汇聚点的簇首可以为簇间的数据转发预留能量。模拟实

验结果表明，该路由协议有效地平衡了簇首的能量消耗，并显著地延长了网络的

存活时间。

关键词：无线传感器网络;簇首;路由;Voronoi;非规则分簇

ABSTRACT

Sensor network, which is made by the convergence of sensor,

micro-electro-mechanism system and networks technologies, is a novel technology

about acquiring and processing information.More and more academic researchers and

people from industry are engaged in developing wireless sensor networks due to great

promise and potential with various applications.Routing technology at the network layer

is pivotal in the architecture of wireless sensor networks. As an active branch of routing

technology, cluster-based routing protocols excel in network topology management,

energy minimization, data aggregation and so on.

In model of multi-hop wireless sensor networks,if a cluster head is more close to

base station,it will have much more transmitting task,therefore the closer one will

consume much more energy.Many classical clustering algorithms haven’t focused on

this problem.As the center of clusters,the cluster heads expend more energy than the

cluster members,since they have to cllect data from cluster members.So the choice of

cluster heads is pivotal.

In order to optimize the allocation of spatial resources of WSN,better accomplish

the tasks of efficient transport,sensing the environment,collecting information,reducing

the energy consume of the network,in this paper,by analyzing the problem of cluster

algorithm inWSN,combining LEACH and LEACH-C algorithms,we propose an

algorithm based on Voronoi.The algorithm is about the cluster heads distribution and

backup scenario.Simulation output shows that compared with LEACH,the algorithm

guarantes the cluster heads distribute evenly in the network and reduces communication

costs;cluster heads backup schems also advances the reliability of cluster scheme and

ensures load equilibrium of the network.

This paper presents a novel uneven cluster-based routing protocol for wirel-

ess sensor networks.Its core is an Energy-Efficient Uneven Clustering(EEUC) al-

gorithm for network topology organization,in which tentative cluster heads use u-

nevencompetition ranges to construct clusters of uneven sizes.Simulation results s-

how that the routing protocol effectively balances the energy consumption among

cluster heads and achieves an obvious improvement on the network lifetime.

Key words:Wireless Sensor Networks(WSN);cluster heads;routing;

Voronoi;uneven clustering

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .....................................................................................................................1

§1.1 课题来源及意义............................................................................................1

§1.2 论文的主要工作............................................................................................3

§1.3 论文各章节安排............................................................................................3

第二章研究基础 .............................................................................................................4

§2.1 WSN 网络.........................................................................................................4

§2.1.1 WSN 的概念..........................................................................................4

§2.1.2 WSN 的特点..........................................................................................4

§2.1.3 WSN 的体系结构..................................................................................6

§2.1.4 WSN 的应用..........................................................................................8

§2.1.5 WSN 的关键技术及面临挑战............................................................10

§2.2 WSN 的网络层简介.......................................................................................11

§2.3 WSN 的路由协议简介...................................................................................12

第三章基于分簇技术的 WSN 路由协议 .......................................................................19

§3.1 分簇技术背景...............................................................................................19

§3.2 簇头的产生及简介.......................................................................................20

第四章一种基于 Voronoi 图的簇首分布算法 ...........................................................21

§4.1 算法提出背景...............................................................................................21

§4.1.1 算法的基础.......................................................................................21

§4.1.2 算法的提出.......................................................................................22

§4.2 Voronoi-簇结构..........................................................................................24

§4.3 网络模型......................................................................................................25

§4.4 簇首节点的分布优化及备份算法...............................................................26

§4.5 仿真实验设计与实现..................................................................................28

§4.5.1 实验准备...........................................................................................28

§4.5.2 仿真实验结果...................................................................................28

§4.5.3 小结...................................................................................................31

第五章基于非规则分簇的的路由算法 .......................................................................33

§5.1 算法的提出背景..........................................................................................33

§5.2 问题描述......................................................................................................35

§5.2.1 网络模型...........................................................................................35

§5.2.2 能量消耗不对称问题.......................................................................36

§5.3 基于非规则分簇的路由算法设计..............................................................37

§5.3.1 EEUC 算法..........................................................................................38

§5.3.2 簇首间多跳路由协议.......................................................................41

§5.4 仿真实验设计与实现..................................................................................42

§5.4.1 实验准备...........................................................................................42

§5.4.2 仿真实验结果...................................................................................44

§5.4.3 小结...................................................................................................48

第六章总结与展望 .......................................................................................................49

§6.1 总结..............................................................................................................49

§6.2 展望..............................................................................................................50

参考文献 .........................................................................................................................51

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................55

致谢 .................................................................................................................................56

第一章绪论

§1.1 课题来源及意义

随着无线通信、集成电路、传感器以及微机电系统（MEMS）等技术的飞速

发展和日益成熟，低成本、低功耗、多功能的微型传感器的大量生产成为可能，

这些传感器在微小体积内通常集成了信息采集、数据处理和无线通信等多种功能，

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）就是部署在监测区域内大量的

微型传感节点通过无线电通信形成的一个多跳的自组织网络系统，其目的是协作

地感知、采集和处理网络覆盖区域里被检测对象的信息，并发送给观察者[1-3]。由

于微型传感器的体积小、重量轻，有的甚至可以像灰尘一样在空中浮动，因此，

人们又称无线传感器网络为“智能尘埃（Smart Dust）”，将它散布于四周以实时感

知物理世界的变化。

无线传感器网络的出现引起了全世界范围的广泛关注。最早开始无线传感器

网络技术研究的是美国军方，此后美国国家自然基金委员会设立了大量与其相关

的项目，英特尔、波音、摩托罗拉以及西门子等在内的许多公司也都较早加入了

无线传感器网络的研究。随着无线传感网络理论与技术的不断成熟，其应用已经

由军事国防领域扩展到环境监测、交通管理、医疗健康、工商服务、反恐抗灾等

诸多领域，使人们在任何时间、任何地点和任何环境条件下都能够获取大量翔实

可靠地信息，最终成为一种“无所不在”的传感技术[4]。

无线传感器网络是一种无中心节点的全分布系统。通过随机投放的方式，众

多传感器节点被密集部署于监控区域。这些传感器节点由传感器模块、数据处理

单元模块和通信模块组成，这些传感器节点通过无线通信的方式相连接，自组织

地构成无线传感器网络系统。这些传感器节点借助于其内置的传感器组件，测量

其周围地理环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号，并且也能探测包括温

度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等众

多人们感兴趣的物理现象[5]。传感器节点间具有良好的协作能力，通过局部的数据

交换来完成全局任务。由于传感器网络的节能要求，多跳、对等的通信方式较之

传统的单跳、主从通信方式更适合于无线传感器网络，同时还可有效避免在长距

离信号传播过程中所遇到的信号衰落和干扰等各种问题。通过网关，传感器网络

还可以连接到现有的网络基础设施上（如 Internet、移动通信网络等），从而将采集

到的信息回传给远程的终端用户使用。

无线传感器网络涉及传感器技术、网络通信技术、无线传输技术、嵌入式技

术、分布式信息处理技术、微电子制造技术、软件编程技术等，是多学科高度交

基于分簇技术的无线自组传感器网络智能路由算法改善研究

叉、新兴、前沿的一个热点研究领域。它是继因特网之后，将对 21 世界人类生活

方式产生重大影响的 IT 技术之一。美国的《商业周刊》杂志和《技术评论》杂志

近年来所评出对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术中，传感器网络技术

名列前茅[6-7]。如果说英特网构成了逻辑上的信息世界，改变了人与人之间的沟通

方式，那么，无线传感器网络就是将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合

在一起，改变了人与自然界的交互方式[8]。未来的人们将通过遍布四周的传感器网

络直接感知客观世界，从而极大地扩展网络的功能和人类认识世界的能力。

传感器节点由电源、感知部件、嵌入式处理器、存储器、网络通信部件和软

件这六个部分所组成。其电源能为传感器节点供应其正常工作所必需的能量。感

知部件用于获取外界的有用信息内容，并将这些有用的信息转换为数字信号。处

理部件主要作用是为了协调传感器节点各部分的运作，如对感知部件获取的有用

信息进行详细的处理和保存，并对控制感知部件和电源的工作模式等起控制作用。

通信部件主要作用是负责与其他传感器节点或观察者的通信。此外，每个节点还

有运行在其上的软件，为传感器提供必要的软件支持，如嵌入式操作系统、嵌入

式数据库系统等。

然后，对于无线传感器网络而言，网络拓扑结构的控制对网络 QoS 性能影响

比较大，而且是对于网络的节省能量、延长网络寿命来说是一个非常重要的因素，

近几年来，在无线传感器网络拓扑控制研究领域中，分簇算法也因此成为传感器

网络中一个热门的拓扑管理机制[9]。

通过分析现有的拓扑控制协议，发现许多算法要么太复杂，要么做出一些不

切实际的假设，这非常不利于在现实网络中实现与分析。如果一种分簇机制能引

用到具体实际的无线传感器网络应用中，需要具备以下几个特点[9]：

1. 不能依赖于任何节点间的连通性。节点的发射功率，以及整个网络的节点

的位置信息。

2. 传感器网络中，节点的可用资源非常有限，分簇机制不能再进行资源占有。

3. 算法在现有的传感器节点上要易于实现。

4. 算法易分析处理，能够在一定的网络密度下高效地使用能量。

如何在有限的资源环境下获取尽可能多的、有效的感知对象的特征信息，并

完好的传输给基站进行信息处理，是目前研究的重点问题，而这些所有的问题最

终都必须要归结为传感器网络的路由问题，即一定要有一个好的路由算法协议来

尽可能地降低网络能耗，从而延长网络生存时间[10]。

本论文正式基于上述特点的基础上，对如何提高 WSN 分簇网络的可靠性进行

了一些探讨和分析。

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摘要：

摘要集成了传感器、微机电系统和网络三大技术而形成的传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术。无线传感器网络因其巨大的应用前景而受到学术界和工业界越来越广泛的重视，在无线传感器网络体系结构中,网络层的路由技术至关重要。分簇路由具有拓扑管理方便、能量利用高效、数据融合简单等优点,成为当前重点研究的路由技术。在无线传感器网络分簇算法的网络模型中，越靠近基站的簇首其转发任务越频繁，从而造成能耗更多，传统分簇算法中对此问题的考虑较少。簇首作为簇的中心，负责收集簇成员的数据，簇首消耗的能量远大于簇成员，因此，簇首的选择至关重要。为了使无线传感器网络的空间资源得到优化分配，更好地完成环境感知、信息获取、有效...

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