当前位置:主页 > 教育学 > 高等教育 >
客服中心
QQ咨询 QQ咨询
电话:13818812882
最新内容
推荐内容
热门内容

无线传感器网络中分簇协议研究

编辑:admin来源:本站原创作者:admin 时间:2015-10-19 09:11
摘 要
无线传感器网络中分簇协议研究
无线传感器网络(Wireless senor network)是一种分布式的感知网络,由许多具有有限
物理资源(计算、存储及无线通信能力)的小型智能设备构成。文章将其简称为 WSN,
其作为一种多学科的高度交叉的技术有很多优点,比如:自组织、动态拓扑以及快速组
网等,这就使其理所当然的成为研究者的热点。但是在 WSN 上的相关协议的设计却也存
在着若干难点,主要体现在节点方面以及拓扑的结构方面,前者主要是能量受限,而后
者是动态多变。WSN 中的所有节点的自身物理资源都不是无限的,所以一定要把握好能
量的损耗问题,这样网络的生命周期就得以延长。能耗问题就是 WSN 里进行路由协议设
计时必须要注重的。而基于分簇技术的协议因其扩展性好、节能高等优势成为当前研究
者最注重的方向。网络整体的存在寿命长短以及网络吞吐量多少决定一个分簇算法的质
量问题。
论文对 WSN 中相关内容进行了详尽概述,具体为:1、其定义以及应用领域,2、
网络的基本特征,3、网络中的自组织结构,4、分簇算法和路由协议的设计目标及性能
衡量指标,5、经典分簇算法,6、经典路由协议。
紧接着对分簇算法的元祖——Leach 的概念、运作情况等进行了详尽概述后,并以此
为基础,又考虑了节点的位置状态及剩余能量这两个因素,设计出了一个新的协议—基
于位置和节点剩余能量的算法 EDLEACH,该方法综合考虑节点的相对位置和目标节点
的剩余能量,确定最优转发路径用来提高网络性能。最后在 MATLAB 仿真软件中选择
LEACH 协议的能量损耗模型进行仿真,从存活节点以及吞吐量方面下手来对新协议和
Leach 分析研究。仿真结果证明,同 Leach 算法相比,该算法提升了节点存活率和网络吞
吐量,并延长了网络寿命。
关键字:
无线传感器网络,分簇算法,路由协议,能量,网络生命期
 
 
目录
第 1 章 绪论............................................................................................................1
1.1 研究背景.....................................................................................................1
1.2 无线传感器网络的发展现状....................................................................1
1.3 本文的研究目的及意义.............................................................................3
1.4 论文组织结构.............................................................................................4
第 2 章 无线传感器网络概述................................................................................6
2.1 无线传感器网络的基本特点....................................................................6
2.2 无线传感器网络的组织结构.....................................................................7
2.2.1 平面结构...............................................................................................8
2.2.2 分层结构...............................................................................................8
2.2.3 平面结构与分层结构的对比..............................................................9
2.3 分簇路由协议的设计目标以及性能衡量指标.......................................10
2.3.1 分簇算法的设计目标以及性能衡量指标........................................11
2.3.2 路由协议的设计目标以及性能衡量指标........................................12
2.4 无线传感器网络常用经典分簇算法.......................................................13
2.4.1 基于同构网络的分簇算法.................................................................13
2.4.2 基于异构网络的分簇算法................................................................15
2.5 无线传感器网络常用经典路由协议.......................................................16
2.5.1 基于平面结构的路由协议.................................................................16
2.5.2 基于分层结构的路由协议................................................................17
2.5.3 基于位置的路由协议.........................................................................17
2.6 本章小结...................................................................................................18
第 3 章 LEACH 算法的研究及优化........................................................................19
3.1 LEACH 算法的简介...................................................................................19
3.1.1 LEACH 算法的概述..............................................................................19
3.1.2 LEACH 算法的主要思想..................................................................... 19
3.1.3 LEACH 算法的物理模型..................................................................... 20
3.2 LEACH 算法的运作过程...........................................................................21
3.2.1 簇结构的建立期.................................................................................21
3.2.2 簇结构的稳定期.................................................................................23
3.2.3 LEACH 算法的优缺点的评价.............................................................24
3.2.4 LEACH 算法的相关研究介绍.............................................................25
3.3 基于位置和剩余能量的局部集中式分簇算法 ED-LEACH.....................26
3.3.1 ED-LEACH 算法的设计思想...............................................................26
3.3.2 ED-LEACH 算法的具体描述...............................................................27
3.3.3 ED-LEACH 算法与 LEACH 算法的对比...............................................29
3.4 本章小结...................................................................................................29
第 4 章 ED-LEACH 算法的模拟仿真分析.............................................................31
4.1 ED-LEACH 算法的实现.............................................................................31
4.2 仿真环境及参数的设置..........................................................................34
4.3 ED-LEACH 算法的仿真分析.....................................................................35
4.4 本章小结..................................................................................................39
第 5 章 总结与展望..............................................................................................40
5.1 全文总结..................................................................................................40
5.2 展望...........................................................................................................40
参考文献.................................................................................................................42
作者简介.................................................................................................................45
致 谢.................................................................................................................46
 
第 1 章 绪论
1.1 研究背景
社会在飞速进步,转眼我们已迈入 21 世纪,作为新时代的人类,网络已经成为我们
生活中必不可少的一部分,而 WSN 作为一种多学科的高度交叉的领域,融合了多种技术,
例如:传感器、分布式技术等
[1,2]
,理所当然成为各位专家的研究方向。WSN 中节点对数
据进行感知,然后以无线通信的方式将感知到的数据传送给汇聚节点,随后汇聚节点将
这些数据收集并呈现给用户群方便它们进行信息的分析和处理。不管在什么情况和状态
下,WSN 都可以帮助人们得到有用安全的数据信息。正是因为节点与节点之间这种无线
通信能力以及感知能力才使得 WSN 的发展越发广泛,其最初运用于军事网络,随着它的
技术的成熟,目前已经在工业方面的监控、环境方面的监控、空间、医疗等方面让人们
加以运用,应用领域日益扩大。据相关报道,早在 2003 年美国媒体就已经发出了有关
WSN 的报道,并指出其在列出的十大新兴的技术里名列前茅且对人类具有巨大影响。不
仅如此,WSN 还被美国纸媒评为 21 世纪高技术领域里的四大支柱型产业之—
[3
4]
但是 WSN 也有不足之处,比如:每个节点自身所具有的物理资源(带宽及计算的能
力)是受限的,及 WSN 往往由很多传感节点组成,它们全部被散落在条件恶劣(自然或
人为)的环境里,且 WSN 中的节点的供电方式是通过微型电池来供给,环境恶劣的部署
以及节点任意性的布置就会促使节点的电池通常难以更换以及充电,节点会因此失效。
故,有效的把握好节点能量的消耗问题,就能最大限度延长生命周期,这就是 WSN 里关
于路由协议技术的研究重点。因此设计出适合 WSN 的高效合适的路由协议就成为了研究
者的方向,而由于基于层次结构的协议扩展性好、节能性高,分簇协议就成为了研究的
重中之重。
1.2 无线传感器网络的发展现状
随着时代的发展,人们对网络功能的要求也越来越高,对世界的认知能力也越来越
迫切,因特网虽然改变了人们之间的沟通方式,但显然已满足不了时代的要求。为了解
决这个问题,WSN 诞生了。人类只需要通过 WSN 的感知就可完成其需求。
WSN 是一个无线的网络,且由大量的不同状态下的传感器组建,用来协作的对网络
所覆盖的地理区域范围里等待被感知的消息进行感知、采集、处理及传输后,再传递给
网络的观察者。通俗点来说, WSN 为无线自组织的网络,其中包含了若干个传感器节
点,这些节点都有对环境感知的能力、简单计算的执行能力以及同邻居节点或基站通信
的能力,还能够在没有基础设施前提下,临时组成一种自组织、自管理的网络
[5
6]
。而上
述概念中所提到的传感器,具有很多类型,不仅可以探测地震、温度、噪声等,周边环
境里的各种现象都可以用此来探测,应用领域相当广泛,其目前已引起多国各界的重视。
正是其独特的特点赋予了该网络广阔的应用方向,不管是军事还是生活,都离不开 WSN。
下面将详细概述:
(1) 军事应用领域
WSN 起初是为军事领域服务,后来经过快速发展并广泛运用在民用领域中。虽然军
事战场环境通常比较恶劣,但 WSN 却具有独特特征,如:自组织性强、无中心、容错性
好及隐蔽性强等。正是这些特点使该网络很好的运用在军事领域方面,网络中某些节点
可能会在某些恶意攻击下自身损坏,但整个网络却不会因此崩溃,这样不仅完成了作战
人员之间的通信,还有效的监测了战场的形势等。
(2) 交通应用领域
目前,基本上每个大城市都会有交通拥堵的问题,随着人们对交通监控技术的需求,
WSN 因其自组织且低能耗的优点理所应当的在交通应用领域占据了一席之地。目前已有
很多国家在对交通的监控时运用了该项技术。
(3) 智能家居领域
WSN 随着时代的快速发展,其运用领域也逐渐扩大,目前家居系统
[8]
中也出现了该
网络的身影。英特尔公司经过深入研究后在 2004 年的 3 月份向大家展示了一种新型基于
WSN 的系统-家居护理。该系统是把半导体的传感器置于家具和生活用品中,用无线通信
技术将各个节点(传感器)进行组网,传递必要的信息,帮助老龄、残障人士的日常生
活方便他们接受护理。智能的家居网络系统将家里与信息有关的所有装置都链接到家庭
智能化的系统上,包括:家用电器、通讯设备等,是一种用来进行家庭事务性管理的系
统,且该系统必须保持各方面的协调。对于需要监测的区域,节点在此进行数据的采集、
转发及处理之后,完成通信,家居的无线控制中心还能实现远程控制,通过处理及转发
来自传感器的信息,然后与 Internet 链接就可实现。
(4) 环境科学领域
随着社会的发展,时代的进步,环境问题变成了人们困扰的难题,人们对此问题日
益关注,而对有关环境科学的研究也越发广泛。在这个领域中对数据的获取不能再通过
传统方式来进行。为解决此问题,WSN 应运而生,在野外进行随机性的获取研究数据时,
WSN 提供了巨大的便利,这点具体体现在诸多方面,如:对候鸟昆虫迁徙的跟踪;环境
自身变化对农作物产生影响的监测等。除此之外,该网络在农业领域也得以良好运用,
不仅完成了对农作物里虫害的监测,还能检测土壤的酸碱度情况等。很多系统都运用了
该网络,例如:ALERT
[9]
中存在多种传感器,由它们完成降雨量升降情况以及河水水位
升降情况的相关监测等。
(5) 医疗应用领域
传感器网络技术在医疗健康方面也会有很多应用,比如心率及血压检测设备,前提
是必须在住院的病人身上安装传感器节点,然后利用传感器网络,在很长一段时间里监
测并获取病人相关的数据信息,不仅方便医生及时了解病人情况,还给药品的研制带来
了方便。总而言之,该网络将会给医疗领域带来更精准便利的技术。
(6) 空间应用领域
很多人类的梦想就是探索外部星球,过去这仅仅是梦想,但随着技术的不断提高,
这已经不再是梦,借助于航天器撒布的无线传感器网络可长时间的检测星球的表面。作
为一个合理可行的方案,人类对外部星球的探索指日可待。已经有为探测火星而研发的
技术诞生,Sensor Web
[10]
由 JPL 实验室研发,目前已经完成了测试及完善。
综上可述,WSN 已然在各种各样的领域中得以广泛应用,随着时代的进步,科技也
不断进步,无线的传感器技术已经以一种不可阻挡的发展速度融入到了更多的应用场景
中。
1.3 本文的研究目的及意义
WSN 作为一种多学科的高度交叉的技术,理所当然的也成为当前国内外各研究者分
析研究的热点,从 2000 年起就有一些相关研究成果的报道,但这些研究都不够深刻。总
而言之,因为 WSN 是一门新兴技术,所以在对其研究的方面,国外的研究比我国的多且
精。WSN 对人类生活造成的积极影响大家有目共睹,所以积极开展有关 WSN 的研究对
整个国家甚至整个世界都将具有重大战略意义。
在对该网络研究的初期,所有研究者都认为在对该网络的研究过程中只需将 Ad hoc
路由机制与 Internet 技术相结合即可,然而随着更加深入的分析研究,得出:WSN 在技
术要求上明显有异于传统网络。具体表现在目标上的不同,WSN 的核心是数据,然而传
统网络则是数据的传输。WSN 中的协议层一共有五层,但在网络层与数据链路层里的相
关技术研究最多,这也是 WSN 里的重点研究内容。网络中数据的传输必须通过高效合理
的路由协议才能完成,但网络中的节点都是由微型电池控制,即自身能量有限,所以在
网络层中进行路由协议的开发设计时,能耗问题都是必须要多加思索的,这些特点在传
统网络的路由协议中是没有的。现在,WSN 中,设计出高性能且合理的路由协议显然已
经成为热门,其中不乏基于分簇结构的路由存在,这些现有的协议的共同目标很明确,
就是寻找出合理、效率高、性能好的路由途径来完成数据信息的有效安全传输,进而使
得 WSN 生命期在原有基础上大大延长。
在 WSN 里,只有对节点进行分簇才能有效的节省能源,而现存在的一些分簇路由协
议都具有一定程度上的缺陷,对其的研究仍然道高路远,还需要我们不断进行努力。本
文研究重点就是在 LEACH 基础上,为减少数据丢包率提高网络吞吐量,且延长了网络的
生命期,为实现上述目标,本文就 WSN 设计出一种新协议-基于剩余能量以及位置信息
的算法,因为有基站的参与,故其属于局部集中式。
1.4 论文组织结构
本文对 WSN 相关知识完成了详细概述,接着对该网络中的分簇算法以及路由协议的
相关知识进行详述。然后对分簇算法的元祖——Leach 分簇算法的概念及优缺点进行了详
尽的概述,针对 WSN 设计了一种新算法-基于剩余能量以及位置信息的算法。首先给出
算法的理论基础,然后讲明其主要设计思想。最后模拟仿真,在存活节点及吞吐量上对
新算法和 Leach 完成了仿真分析对比。
在以下的几章中,安排如下:
第二章,对 WSN 内相关技术、分簇算法以及有关经典路由给出详尽概述。
第三章,对分簇算法的元祖——Leach 分簇算法的概念及优缺点进行了详尽的概述,
针对此网络设计了一种新算法-基于剩余能量以及位置信息的算法。首先给出理论基础,
然后详细讲明了新算法的主要思想。

以上是大纲或介绍,如需要完整的资料请联系客服购买.本站所有毕业设计(论文)均通过审核,标准格式,质量保证.
QQ咨询  购买指南 支付方式 帮助中心
毕业设计购买流程

1.联系在线客服,将您看中的毕业设计(论文)名称或网址发给客服.(如QQ不在线请留言,我们会尽快回复您)
2.与客服确认您要毕业设计(论文)并询问价格.(为了保证资料可用性,我们承诺每个地区只售一次)
3.付款.支付后通知客服确认并发送资料. (发送方式一般是以邮件附件的形式或者QQ在线传送)

发表评论
请自觉遵守互联网相关的政策法规,严禁发布色情、暴力、反动的言论。
评价:
用户名: 验证码: 点击我更换图片