无线传感器网络分簇拓扑控制算法研究

作     者：王惠珠 

作者单位：重庆邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：唐宏

授予年度：2016年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0810[工学-信息与通信工程] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 0804[工学-仪器科学与技术] 081001[工学-通信与信息系统] 0802[工学-机械工程] 

主      题：无线传感器网络 分簇拓扑控制 节能 网络生存时间 能量均衡 

摘      要：分簇拓扑控制算法能够有效均衡网络能耗以及延长网络生存时间,是无线传感器网络的主要研究内容之一。分簇拓扑控制策略通过选择合适的簇头,将网络分割为多个层次的数据传输子网,在节能和扩展性方面具有独特的优势,并且可以对普通节点进行睡眠调度。本文以分簇拓扑结构的节点成簇方式、簇头选择机制以及单、多跳数据传输路径为研究背景,重点研究网络的节能以及能量均衡等问题。具体研究内容如下:1.针对以距离作为通信代价不能反映节点能量因素的问题,本文根据目的节点的剩余能量以及节点间的路径损耗定义节点间的能量距离,并将其作为节点选择邻居节点的标准。同时,由于单链式拓扑结构中数据包传递路径较长,因此,本文提出一种基于能量的多链式分簇拓扑控制算法。首先,成簇阶段采用了静态分簇,将目标区域分为多个子区域。其次,基于节能的考虑,簇内节点间根据能量距离形成多链式拓扑结构,并根据剩余能量及其和基站的距离确定簇头。簇头间则根据能量距离形成树形拓扑结构避免长距离通信的产生。仿真结果表明,本文算法在网络生存时间和能量均衡性等方面的综合性能更好,并且降低了网络能耗速率。2.针对现有的分簇方式存在考虑因素不全面且未考虑簇结构性能的问题,本文提出一种基于无线信号不规则性以及簇结构稳定性的分簇拓扑控制算法。首先,算法根据区域分割参数实现静态分簇。其次,将簇头选择过程划分为选取候选簇头以及确定最终簇头两个过程,并根据可靠性理论模型对节点成为簇头后的簇结构稳定性进行建模,改进选择簇头的阈值公式。成簇稳定性最优的节点成为候选簇头,并且其位于簇内的位置决定了最终的簇头,从而使簇成员的能耗得以均衡。簇头间形成的平面型拓扑结构降低了中继簇头突然失效对网络连通性的影响。仿真结果表明,所提算法既能延长网络生存时间,优化网络能量均衡性,还能降低网络能耗速率,增加基站接收到的数据包的数量。