无线传感器网络拓扑控制与路由优化研究

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1、4无线传感器网络拓扑控制与路由优化研究对于“热区”现象的解决主要有以下几种方法：1.在汇聚节点(Sink)一跳通信范围内，放置数量较多的节点，或者放置能力较强的节点。2.引入中继节点分担负载，但“热区”现象依然存在。3.基于分区的非均匀分簇，使得距离Sink较近的分区内簇数量较多，簇内节点较少，距离Sink较远的分区内，簇的数量较少，簇内节点较多，这种方法在本质上与方法一是相同的[11]。4.利用移动Sink平衡负载，随着Sink节点的移动，Sink周围的邻居节点也不断发生着变化，达到平衡负载的目的[12]。其中，最后一种方法的效果较好

2、，容易实施，被广泛的使用。因此为了克服热区的现象，本文也采用了使用移动Sink的方法。本文的创新点在于采用了分簇的拓扑结构，并结合移动Sink以达到克服热区的现象，从而实现延长网络寿命，均衡网络负载的目的。这两种方法的结合使用，与传统的单一的静态分簇算法相比，在改善无线传感器网络的生存寿命方面具有明显提高。同时，本文提出的新的分簇算法，考虑到了能量有效的问题，并且具有簇头分布均匀的特点。1.2无线传感器网络研究概述和研究现状无线传感器网络的体系结构如图1.1所示[3]，大量无线传感器节点通过飞行器，汽车等方式随机部署在监测区域内部或附近

3、，也可以通过人工部署方式完成。系统中的传感器节点通过多跳(也可以是单跳)，将转发到汇聚节点，这些节点能够通过自组织的方式构成网络。汇聚节点通过互联网或卫星等方式将信息传递至任务管理节点，对数据进行分析和处理，任务管理节点通过互联网或卫星对网络进行管理和配置，发布监测任务以及手机监测数据。无线传感器发展到至今产生了许多经典的路由协议。美国的麻省理工学院、南加州大学、康奈尔大学等先后提出了几种具有启发意义的协议，包括Flooding[13]、Gossiping[14]、SAR[15]，DirectedDiffusion[16]、LEACH[

4、10]、SPIN[17]、TEEN[18]、APTEEN[19]，PEGASIS[20]等。其中LEACH，SPIN，PEGASIS，TEEN协议是本文所研究的层次结构的路由协议。其中LEACH协议是将网络划分为簇，簇内节点的数据发送和接收由簇头负责，而簇头的选取算法使簇内节点能够轮换担任簇头以达到均衡节点的能耗。PEGASIS和TEEN则是对LEACH的进一步改进，PEGASIS将收集数据的节点组成一个链的方式实现数据汇聚，汇聚之后仅仅需要一个节点和Sink直接通信。而TEEN和LEACH的实现机制非常相似，只是前者是响应性的，而后者

5、属于主动型传感器网络。在TEEN中定义了软硬两个门限值，以确定是否需要发送监测数据。第一章绪论5图1.1无线传感器网络的体系结构文献[12]对能量空洞进行了理论研究，并建立了数学模型对其进行证明。模型假设密度为ρ的的节点泊松分布于半径为R的圆形区域内，且Sink位于网络区域的中心，如图1.2，图1.3所示，图1.2d>r网络模型图1.3d

6、nÎNConstraint:specifictogivenstrategies式(1-1)很显然，load越小，网络生存时间越长。假设节点n位于网络区域的坐标为n(x,y)，基站所在位置为B，则节点n能耗为：1++y222222RR22òò式(1-2)[(xx)+(yy)]dxdy=πR(2x+2y+R)BBBB222RRy这个节点的平均负载与S1+S2/S2成正比。在S中的节点的负载可以由式1-326无线传感器网络拓扑控制与路由优化研究得到：loadnβλεì(Rd)22ïï2»+λε，d³r(S+S)ïrρλεπ2=í12Sρ2ï2

7、R2λεï=<,drïîr2式(1-3)其中，这里β=2arcsin(r/d)，从公式1-3中可以看出，节点的负载与Sink的距离成反比，距离越大，负载越小，距离越小，负载越大。所以，对于Sink周围的节点，能耗要比其他节点更快，生存时间更短，当这些节点死亡后，数据无法转发到Sink节点，形成能量热区。式1-3也对热区的存在做出了理论的证明。1.3本文主要研究内容及结构本文首先提出了一种静态基站环境下的分簇算法，算法以Sink节点为根，构成簇状树。随后，基于上述分簇算法，本文提出了一种基于分簇拓扑结构的移动Sink路由算法，以实现均衡负

8、载，消除能量空洞的现象。并对以上两种算法实现仿真，具体工作如下：首先论述了无线传感器的概念以及与普通无线网络间的区别，然后论述了本文的研究意义，由于本文分别提出了一种分簇算法，以及基于此算法的移动Sink路