无线传感器网络能量均衡GAF路由算法研究与改进

摘要

无线嵌入式技术的发展促使着小型、低功耗、廉价的具有通信和计算能力的传感器节点应用在不同的领域，包括:野外数据采集、智能家居、远程监控以及环境监测等。由于无线传感器网络中的传感器节点一般由电池提供能量且部署在复杂恶劣的环境下，良好的无线传感器路由协议的设计目标应是减少以及均衡节点的能量消耗，从而延长了整个网络的生存周期，研究表明对于大规模无线传感器网络，层次路由协议比平面路由协议有更好的适应性和节能性，GAF算法作为层次路由协议的典型代表，其特殊的分簇机制以及休眠机制能够应用于不同的无线传感器网络应用中，针对这些问题，论文提出了一种用于无线传感器网络的节点能量均衡改进GAF算法(EB-GAF)和在此基础上的一种新的蜂窝结构划分改进GAF算法(HCGAF)。
　　本文以GAF算法为研究对象，结合节点的当前剩余能量，簇头与簇所属虚拟单元格物理质心的距离，构建节点分布均匀度模型来重新划分虚拟单元格，使得重新划分虚拟单元格内节点分布相对较为均匀，在此基础上，通过相似数据模型休眠虚拟单元格内部分节点，在虚拟单元格划分时通过节点分布均匀度模型重新划分单元格使所有单元格内节点分布均匀，另外提出了一种的新的虚拟蜂窝单元格划分方法和改进的簇间路由转发策略。
　　本文使用Matlab搭建仿真环境，最后以GPSR作为底层通信协议进行仿真，结果表明相对于传统GAF算法，HCGAF算法以及EB-GAF算法均有效地均衡了重新划分区域内的节点能量消耗，从而延长区域网络的生存周期。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．1．1 课题研究背景

1．1．2 课题研究意义

1．2 国内外的研究现状

1．2．1 国外无线传感器网络研究现状

1．2．2 国内无线传感器网络研究现状

1．3 本文的研究内容和组织结构

1．3．1 课题来源

1．3．2 本文主要研究内容和组织结构

第二章 无线传感器网络概述

2．1 无线传感器网络的关键技术

2．2 无线传感器网络相关路由协议介绍

2．2．1 平面路由协议

2．2．2 层次路由协议

2．3 本章小结

第三章 节点能量均衡GAF路由算法研究与改进

3．1 GAF算法

3．1．1 GAF算法基本原理

3．1．2 GAF算法基本过程

3．2 算法改进方面

3．2．1 相似数据模型

3．2．2 簇头最佳位置选择

3．2．3 蜂窝结构虚拟单元格

3．2．4 虚拟单元格节点分布均匀度模型

3．2．5 簇头能量的均衡

3．3 EB-GAF算法描述

3．3．1 虚拟单元格划分阶段

3．3．2 簇头选举阶段

3．3．3 数据传输阶段

3．4 实验仿真与分析

3．4．1 选择簇头最佳位置

3．4．2 每轮耗费的全网能量

3．4．3 死亡节点时间的比较

3．5 本章小结

第四章 新单元格划分GAF路由算法研究与改进

4．1 HCGAF算法基于分层的虚拟单元格划分

4．2 HCGAF算法保证连通条件

4．2．1 相邻簇头之间节点连通

4．2．2 相同簇头之间节点连通

4．3 HCGAF算法理论性能分析

4．3．1 单簇覆盖面积比较

4．3．2 单跳覆盖面积比较

4．4 算法实现

4．4．1 虚拟蜂窝单元格划分

4．4．2 簇头节点选举算法

4．4．3 簇间路由协议转发

4．5 HCGAF算法性能仿真及分析

4．5．1 HCGAF每轮耗费的全网能量

4．5．2 死亡节点时间的比较

4．6 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 论文总结

5．2 进一步工作

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况