無線傳感器網(wǎng)絡中能量均衡的分簇路由協(xié)議研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)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(wǎng)絡。節(jié)點能量有限是制約網(wǎng)絡壽命的最重要因數(shù)之一?；诜执丶夹g的路由協(xié)議能提高網(wǎng)絡能量的有效利用，延長整個網(wǎng)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(wǎng)絡壽命，分簇路由協(xié)議是一個非常值得研究的課題。
　　分簇路由協(xié)議中經(jīng)典的LEACH協(xié)議隨機地選取一定數(shù)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(wǎng)絡中節(jié)點的能量消耗。相比平面路由協(xié)議，提高了網(wǎng)絡能量的有效利用，延長了整個網(wǎng)絡的生存時間。但該協(xié)議仍存在節(jié)點的能量消耗不均衡問題，對于網(wǎng)絡生存時間有較大影響。
　　本文以LEACH分簇路由協(xié)議的研究為出發(fā)點，針對LEACH分簇路由協(xié)議中網(wǎng)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(xié)議CMSEB和簇頭多重選擇能量均衡多跳路由協(xié)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(wǎng)絡能耗，延長網(wǎng)絡壽命。主要包括以下幾方面的工作：
　　(1)本文研究LEACH協(xié)議中簇頭數(shù)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(shù)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(chǎn)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(jù)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(xié)議CMSEB。然后本文分析了CMSEB協(xié)議的復雜度，證明了協(xié)議的消息復雜度為O(N)。最后通過一系列實驗仿真，對CMSEB協(xié)議與LEACH協(xié)議和HEED協(xié)議進行性能上的對比和具體分析，

5、結果表明CMSEB協(xié)議在簇頭數(shù)目穩(wěn)定性、網(wǎng)絡能耗均衡以及延長網(wǎng)絡壽命等方面的表現(xiàn)均優(yōu)于LEACH和HEED，網(wǎng)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(xiàn)該問題的原因和對網(wǎng)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(jù)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(wǎng)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(chǎn)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(xié)議CMSEB-MH。最后通過一系列實驗仿真，對CMSEB-MH協(xié)議與LEACH協(xié)議和CMSEB協(xié)議進行性能上的對比和具體分析，結果表明CMSEB-MH協(xié)議在網(wǎng)絡能耗均衡和延長網(wǎng)絡壽命等方面的表現(xiàn)均優(yōu)于LEACH和CMSEB，網(wǎng)絡壽命較LEACH提升了45%，較CMSEB提升了12%。
　　無線傳感器網(wǎng)絡中，在節(jié)點能量有限