無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中能量均衡的分簇路由協(xié)議研究.pdf

1、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)是由大量廉價(jià)、體積微小的傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織的方式組成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)能量有限是制約網(wǎng)絡(luò)壽命的最重要因數(shù)之一?；诜执丶夹g(shù)的路由協(xié)議能提高網(wǎng)絡(luò)能量的有效利用，延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。因此為了達(dá)到較高的能量效率和保證理想的網(wǎng)絡(luò)壽命，分簇路由協(xié)議是一個(gè)非常值得研究的課題。
　　分簇路由協(xié)議中經(jīng)典的LEACH協(xié)議隨機(jī)地選取一定數(shù)量的節(jié)點(diǎn)作為簇頭，通過周期性地在節(jié)點(diǎn)間輪

2、換簇頭的角色來(lái)平衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量消耗。相比平面路由協(xié)議，提高了網(wǎng)絡(luò)能量的有效利用，延長(zhǎng)了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。但該協(xié)議仍存在節(jié)點(diǎn)的能量消耗不均衡問題，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間有較大影響。
　　本文以LEACH分簇路由協(xié)議的研究為出發(fā)點(diǎn)，針對(duì)LEACH分簇路由協(xié)議中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量消耗不均衡問題，提出簇頭多重選擇能量均衡路由協(xié)議CMSEB和簇頭多重選擇能量均衡多跳路由協(xié)議CMSEB-MH，包括簇頭多重選擇策略、新的簇頭選擇算法和非簇頭節(jié)點(diǎn)入簇算

3、法，以及簇間通信的啟發(fā)式多跳機(jī)制，能夠均衡網(wǎng)絡(luò)能耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。主要包括以下幾方面的工作：
　　(1)本文研究LEACH協(xié)議中簇頭數(shù)目不穩(wěn)定和簇頭分布不均所導(dǎo)致的簇頭負(fù)載不均衡的問題。設(shè)計(jì)一種簇頭多重選擇(簇頭重分布)策略來(lái)達(dá)到簇頭分布均勻的同時(shí)使得每輪的簇頭數(shù)目在一定程度上保持穩(wěn)定。當(dāng)簇頭初步選舉后，在判定簇頭稀疏區(qū)域與簇頭密集區(qū)域的基礎(chǔ)上對(duì)其中的簇頭進(jìn)行增減，從而均勻地分布簇頭。同時(shí)本文研究各節(jié)點(diǎn)能量消耗的獨(dú)立性所產(chǎn)生的節(jié)點(diǎn)

4、間能耗不均衡的問題，加入了對(duì)節(jié)點(diǎn)剩余能量這一因素的考量，設(shè)計(jì)新的簇頭選擇算法和非簇頭節(jié)點(diǎn)入簇算法來(lái)解決這一問題。根據(jù)節(jié)點(diǎn)剩余能量的不同來(lái)控制其負(fù)載(即是否成為簇頭和簇的大小)，以期達(dá)到能量均衡的目標(biāo)。基于上述策略和算法，本文提出了簇頭多重選擇能量均衡路由協(xié)議CMSEB。然后本文分析了CMSEB協(xié)議的復(fù)雜度，證明了協(xié)議的消息復(fù)雜度為O(N)。最后通過一系列實(shí)驗(yàn)仿真，對(duì)CMSEB協(xié)議與LEACH協(xié)議和HEED協(xié)議進(jìn)行性能上的對(duì)比和具體分析，

5、結(jié)果表明CMSEB協(xié)議在簇頭數(shù)目穩(wěn)定性、網(wǎng)絡(luò)能耗均衡以及延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命等方面的表現(xiàn)均優(yōu)于LEACH和HEED，網(wǎng)絡(luò)壽命較LEACH提升了30%。
　　(2)針對(duì)簇間單跳通信機(jī)制所引起的能耗過大和不均衡問題，本文深入分析了出現(xiàn)該問題的原因和對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響。引入了簇間多跳通信機(jī)制，各簇頭分別采用啟發(fā)式的方法計(jì)算最小能量消耗的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，據(jù)此各自選擇下一跳的轉(zhuǎn)發(fā)簇頭，通過這種簇頭問的分布式計(jì)算生成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的多跳路由。并且通過設(shè)定基站直接通信范

6、圍的方式來(lái)減輕多跳機(jī)制所產(chǎn)生的“熱點(diǎn)”問題和延遲問題?；谏鲜龆嗵鴻C(jī)制，本文提出了簇頭多重選擇能量均衡多跳路由協(xié)議CMSEB-MH。最后通過一系列實(shí)驗(yàn)仿真，對(duì)CMSEB-MH協(xié)議與LEACH協(xié)議和CMSEB協(xié)議進(jìn)行性能上的對(duì)比和具體分析，結(jié)果表明CMSEB-MH協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)能耗均衡和延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命等方面的表現(xiàn)均優(yōu)于LEACH和CMSEB，網(wǎng)絡(luò)壽命較LEACH提升了45%，較CMSEB提升了12%。
　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，在節(jié)點(diǎn)能量有限