无线传感器网络中分簇路由算法的研究.doc

摘要 近年来，传感器技术、电子技术和无线通信技术的日趋成熟和发展，为无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)的快速发展奠定了基础，使得WSN已经逐步成为计算机科学技术中一个新的研究领域。无线传感器网络具有成本低、体积小、自组织和无线通信等诸多优点，但WSN也有它不可忽视的缺点，其中一个最关键的就是资源受限，节点的计算能力、存储能力和能量都十分有限，而通信模块是能量消耗的主要部分，为了尽可能延长网络的生命周期，设计高效的路由协议成为当前WSN研究的一项关键技术，也是目前WSN领域研究的一个重要课题。 为了设计高效可靠的WSN分簇路由协议，本文的研究内容如下： (1) 介绍了无线传感器网络及路由协议的相关背景知识，并重点从网络拓扑结构的不同出发，分析说明了目前比较经典的几种平面路由协议和分簇路由协议的主要思想和研究成果，同时指出了分簇路由相对于平面路由协议的几大优势。 (2) 在分析传统和改进LEACH路由协议之后，提出了一种新的均匀分簇改进LEACH算法。该算法采用一种基于时间的簇头选择机制，该机制将节点的剩余能量考虑进内，不仅降低了低能量的节点成为簇头的可能性，且改善了簇头产生的随机性和分布的不均匀性；在路由建立阶段，利用蚁群的动态适应性和寻优能力将蚁群优化算法应用于簇间路由机制中，使数据以多跳形式传输给Sink节点，从而减小节点能量消耗进而提高网络寿命。并通过实验仿真和性能分析，说明了所提算法在生成簇头数、平均能量消耗和节点存活数三个方面相对于LEACH算法的优越性。 (3) 在对EEUC协议分析之后，提出了一种能量优化的WSN非均匀分簇路由协议(EOUCR)。对于均匀分簇算法来说，虽然采用多跳路由可以从某种程度上降低网络能耗，但同时也带来了“热区”问题，基于蚁群优化的改进LEACH算法就属于此类算法。针对“热区”问题及典型非均匀分簇路由EEUC算法的不足，本文提出了EOUCR协议，该协议在簇形成阶段以候选簇头的剩余能量、其邻居节点的平均剩余能量和该候选簇头与 Sink节点的距离作为竞选簇头的参数，且簇头竞争半径的选取考虑了成簇能耗，在此基础上形成了不同几何尺寸的簇，可减少“热区”内簇的簇头轮换次数，均衡网络负载。EOUCR在Sink节点通信的根节点，其他簇头则通过中继节点或直接与根节点通信，克服了EEUC能耗大且不均衡的不足，从而有效地解决临近Sink节点的“热区”问题。经仿真实验对比和理论分析可知，EOUCR与EEUC和LEACH协议相比能够更有效地节约节点能量、均衡全网能量消耗、延长网络寿命。最后指出了EOUCR协议的应用场景。 关键词：无线传感器网络，分簇路由, LEACH，EEUC，网络生命周期 Abstract In recent years, the maturing and development of sensor technology, electronic technology and wireless communication technology have laid foundation for the rapid development of Wireless Sensor Networks (WSN), and WSN has gradually become a new research area of computer science and technology. Wireless sensor network has many advantages, such as low-cost, small volume, self-organization and wireless communications and so on. However, WSN also has its unignored shortcomings and the biggest weakness of WSN is that sensor nodes has limited resource and communication module is the major part of the energy consumption. Therefore, designing an efficient routing protocol becomes a key technology and an import issue in wireless sensor network research. In order to design efficient and reliable clustering routing protocols for wireless sensor netw