基于分簇结构的无线传感器网络节能路由协议研究

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1、基于分簇结构的无线传感器网络节能路由协议研究重庆大学博士学位论文学生姓名：杨柳指导教师：杨先一教授专业：通信与信息系统学科门类：工学重庆大学通信工程学院二O一六年四月StudyonCluster-BasedEnergySavingRoutingProtocolsforWirelessSensorNetworksAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDoctor’sDegreeofEngineeri

2、ngByYangLiuSupervisedbyProf.YangXianyiSpecialty:CommunicationandInformationSystemCollegeofCommunicationEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaApril,2016中文摘要摘要典型的无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，WSN）是由许多微型廉价低功耗的传感器节点采用自组织的方式形成的专用网络，常被部署于指定的区域用于感知和采集各种监测对象

3、的信息，并采用多跳通信方式将信息提供给终端用户，是连接人类社会和物理世界的信息纽带。WSN与传统的无线网络不同，WSN中的节点带宽、内存等资源更为匮乏，尤其是其有限的能量资源直接影响到传感器网络的生命周期以及网络的信息质量。由于传感器节点的能量通常很难得到补充，因此，在节点能量有限的前提下，讨论如何提高有限能量的利用率，以延长网络的生命周期，是当前该领域研究的热点问题。传感器节点绝大部分的能量都用于数据的无线传输，因此采用高能效的路由协议有助于减少节点的能耗，从而延长网络生存期。通过对现有的路由协议系统学习和总结，

4、发现基于分簇结构的路由协议在网络扩展性、高效节能性等方面具有明显优势，本文围绕这一课题针对不同类型的WSN构建分簇结构的路由协议。论文主要内容及创新性成果包含：①针对传统同构的WSN，研究如何构建单跳分簇路由协议，提出了一种混合的基于博弈理论的分布式分簇路由协议（Hybrid，GameTheorybasedandDistributedclustering，HGTD）。在传统WSN单跳分簇路由协议中，簇头节点采用单跳通信的方式将数据传输至较远的基站，能耗速率很快，如何选择最优的簇头节点以均衡节点间的能耗并延长网络生存

5、期是一个研究重点。本协议中引入博弈理论用于解决单跳分簇路由中的簇头节点选择问题，节点被建模为博弈参与者，通过与其邻近区域的节点博弈得到自己成为簇头的均衡概率。在分簇博弈模型中特别定义了节点选择不同策略时的收益，并考虑到节点度以及节点到基站的距离，使得节点在根据均衡概率决定是否成为簇头时能够在最小化能量开销和提供必须的网络服务之间保持均衡。此外，设计了一种迭代算法从潜在的簇头节点中选出最终的簇头节点，可均衡节点间的能耗并且避免相邻的节点同时被选为簇头。仿真结果表明本协议能够明显改善网络生存期。②由于外界因素的影响，传

6、感器节点被部署于监测区域一段时间后通常能量异构。本文针对能量异构WSN，研究如何构建多跳分簇路由协议，提出了一种基于非均匀簇结构的路由协议（UnequalCluster-basedRoutingschemeformulti-levelHeterogeneouswirelesssensornetworks，UCR-H）。在多跳分簇路由协议中，网络中的所有簇头节点共同合作将数据以多跳通信方式传输至基站，因此离基站越近的簇头节点担负的簇间数据转发任务越重，这会导致能量空洞问题的发生。为了避免在能量异构网络中采用多跳分簇路

7、由协议时出现能量空洞问题，本协议中将网I重庆大学博士学位论文络所在监测区域划分为若干等尺寸的矩形单元。首先通过均衡不同单元间簇头节点的能耗，计算得到各单元中的簇头数目；然后通过最小化网络中簇间数据转发的总能耗，得到最优的单元数；最后根据节点的能量等级以及节点所在单元的簇头数目，为各单元中不同能量等级的节点设计了当选为簇头时对应的簇半径，此外还得到了一轮次阈值避免对能量等级高的节点的过度惩罚。仿真结果表明UCR-H协议能够有效减轻网络中的能量空洞问题，并且明显改善了网络生存期。③近来，在一些WSN应用中传感器节点配备

8、有能量获取装置，但从环境中获取能量的能力很有限。本文针对能量获取WSN，研究如何构建多跳分簇路由协议，提出了一种多跳的能量中性分簇路由协议（Multi-hopEnergyNeutralClustering，MENC）。设计本协议的主要目的是实现对节点从环境中获取的能量的有效利用，以获得无限长的网络生存期。通过结合节点的能耗情况以及能量状态，给出了节点的能量中