基于能量高效的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由算法的研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)是21世紀(jì)興起的一種數(shù)據(jù)采集和處理的新技術(shù)手段，具有低成本、低功耗和自組織獲取信息等優(yōu)勢，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域。但是，由于它多數(shù)工作在野外環(huán)境，相對于傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)而言，其在能量供應(yīng)方面受到了一定的限制。因此，設(shè)計(jì)以節(jié)能為首要考慮因素的傳輸路由協(xié)議就顯得尤為重要。
　　在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面，由于在網(wǎng)絡(luò)節(jié)能和可擴(kuò)展性方面比平面路由更具有優(yōu)勢，基于分簇結(jié)

2、構(gòu)的WSN路由協(xié)議受到了國內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注，成為了當(dāng)前學(xué)術(shù)界的一個重要研究課題。本文是以高效節(jié)能為目標(biāo)，對分簇的WSN路由算法開展研究，主要研究和創(chuàng)新工作如下:
　　1.針對傳統(tǒng)的低功耗自適應(yīng)分簇路由協(xié)議(Low-Energy Adaptive ClusteringHierarchy，LEACH)在簇頭選擇機(jī)制方面的缺陷，本文提出了一種基于最佳簇頭選擇的LEACH改進(jìn)算法。首先，利用考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量的LEACH簇頭選擇算法選出一

3、定量的候選簇頭，候選簇頭節(jié)點(diǎn)向全網(wǎng)廣播成簇消息，非候選簇頭節(jié)點(diǎn)加入到與之距離最短的簇內(nèi)。其次，根據(jù)各個簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)總能耗最優(yōu)和節(jié)點(diǎn)能耗均衡的原則，計(jì)算得到某一節(jié)點(diǎn)擔(dān)任最終的簇頭。最后，通過實(shí)驗(yàn)的仿真分析和對比，驗(yàn)證了本文提出的改進(jìn)協(xié)議比傳統(tǒng)的LEACH協(xié)議具有更好的網(wǎng)絡(luò)壽命。
　　2.針對在動態(tài)隨機(jī)分簇路由協(xié)議下每輪分簇個數(shù)和簇結(jié)構(gòu)差異所帶來的節(jié)點(diǎn)能耗不均衡缺點(diǎn)，本文提出了基于模糊聚類(Fuzzy C-Means，F(xiàn)CM)的WSN路由

4、協(xié)議。在網(wǎng)絡(luò)的首輪，利用以節(jié)點(diǎn)密度為初始化中心的FCM聚類算法，基站將整個網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)分為一定量的簇，整個網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中各簇的結(jié)構(gòu)保持不變。在新的一輪，根據(jù)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的剩余能量、可能消耗的能量和節(jié)點(diǎn)與基站的距離來動態(tài)選擇簇頭。在數(shù)據(jù)傳輸階段，針對不同規(guī)模網(wǎng)絡(luò)分別設(shè)計(jì)了簇間單跳和簇間混合跳的數(shù)據(jù)傳輸方式。仿真分析表明，相比傳統(tǒng)的分簇路由協(xié)議，本文提出的新協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)總能耗、節(jié)點(diǎn)死亡時間和節(jié)點(diǎn)均衡能耗方面更具有一定的優(yōu)勢。
　　3.由于分環(huán)

5、分簇結(jié)構(gòu)WSN路由協(xié)議在大規(guī)模WSN中具有節(jié)能優(yōu)勢，本文提出了一種基于環(huán)間距不等的分環(huán)分簇路由協(xié)議。首先，基站將整個網(wǎng)絡(luò)區(qū)域分成若干個環(huán)間距的大小可調(diào)的同心圓，并計(jì)算出各環(huán)面內(nèi)能耗最優(yōu)的簇頭數(shù)。在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)模型中，通過調(diào)節(jié)參數(shù)值的大小以均衡各環(huán)面內(nèi)簇頭節(jié)點(diǎn)能耗，從而獲得各環(huán)面最終的簇頭數(shù)。環(huán)面內(nèi)節(jié)點(diǎn)分簇繼續(xù)使用了模糊聚類的分簇方法，簇內(nèi)簇頭的選擇是建立在以節(jié)點(diǎn)剩余能量、簇內(nèi)存活節(jié)點(diǎn)和候選簇頭節(jié)點(diǎn)歐式距離之和的多目標(biāo)函數(shù)。仿真結(jié)果表明，本文