無線傳感器網絡中能量均衡的分簇路由協議研究.pdf

1、無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network，WSN)是由大量廉價、體積微小的傳感器節(jié)點以自組織的方式組成的無線網絡。節(jié)點能量有限是制約網絡壽命的最重要因數之一?；诜执丶夹g的路由協議能提高網絡能量的有效利用，延長整個網絡的生存時間。因此為了達到較高的能量效率和保證理想的網絡壽命，分簇路由協議是一個非常值得研究的課題。
　　分簇路由協議中經典的LEACH協議隨機地選取一定數量的節(jié)點作為簇頭，通過周期性地在節(jié)點間輪

2、換簇頭的角色來平衡網絡中節(jié)點的能量消耗。相比平面路由協議，提高了網絡能量的有效利用，延長了整個網絡的生存時間。但該協議仍存在節(jié)點的能量消耗不均衡問題，對于網絡生存時間有較大影響。
　　本文以LEACH分簇路由協議的研究為出發(fā)點，針對LEACH分簇路由協議中網絡節(jié)點能量消耗不均衡問題，提出簇頭多重選擇能量均衡路由協議CMSEB和簇頭多重選擇能量均衡多跳路由協議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)點入簇算

3、法，以及簇間通信的啟發(fā)式多跳機制，能夠均衡網絡能耗，延長網絡壽命。主要包括以下幾方面的工作：
　　(1)本文研究LEACH協議中簇頭數目不穩(wěn)定和簇頭分布不均所導致的簇頭負載不均衡的問題。設計一種簇頭多重選擇(簇頭重分布)策略來達到簇頭分布均勻的同時使得每輪的簇頭數目在一定程度上保持穩(wěn)定。當簇頭初步選舉后，在判定簇頭稀疏區(qū)域與簇頭密集區(qū)域的基礎上對其中的簇頭進行增減，從而均勻地分布簇頭。同時本文研究各節(jié)點能量消耗的獨立性所產生的節(jié)點

4、間能耗不均衡的問題，加入了對節(jié)點剩余能量這一因素的考量，設計新的簇頭選擇算法和非簇頭節(jié)點入簇算法來解決這一問題。根據節(jié)點剩余能量的不同來控制其負載(即是否成為簇頭和簇的大小)，以期達到能量均衡的目標。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議CMSEB。然后本文分析了CMSEB協議的復雜度，證明了協議的消息復雜度為O(N)。最后通過一系列實驗仿真，對CMSEB協議與LEACH協議和HEED協議進行性能上的對比和具體分析，

5、結果表明CMSEB協議在簇頭數目穩(wěn)定性、網絡能耗均衡以及延長網絡壽命等方面的表現均優(yōu)于LEACH和HEED，網絡壽命較LEACH提升了30%。
　　(2)針對簇間單跳通信機制所引起的能耗過大和不均衡問題，本文深入分析了出現該問題的原因和對網絡的影響。引入了簇間多跳通信機制，各簇頭分別采用啟發(fā)式的方法計算最小能量消耗的轉發(fā)路徑，據此各自選擇下一跳的轉發(fā)簇頭，通過這種簇頭問的分布式計算生成整個網絡的多跳路由。并且通過設定基站直接通信范

6、圍的方式來減輕多跳機制所產生的“熱點”問題和延遲問題。基于上述多跳機制，本文提出了簇頭多重選擇能量均衡多跳路由協議CMSEB-MH。最后通過一系列實驗仿真，對CMSEB-MH協議與LEACH協議和CMSEB協議進行性能上的對比和具體分析，結果表明CMSEB-MH協議在網絡能耗均衡和延長網絡壽命等方面的表現均優(yōu)于LEACH和CMSEB，網絡壽命較LEACH提升了45%，較CMSEB提升了12%。
　　無線傳感器網絡中，在節(jié)點能量有限