无线传感网中基于负载均衡的EAMCT-G 优化算法研究

摘要
无线传感网（Wireless Sensor Network, WSN）是多学科高度交叉的新兴前沿研究领域，它综合了嵌入式计算、现代网络及无线通信、微电子、分布式信息处理等先进技术，是当前在国内外的研究热点。WSN 能够协同地实时监测、感知和采集网络覆盖区域中各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理，处理后的信息通过无线方式发送，并以自组织、多跳的通信方式传送给监测者。鉴于无线传感网的自身特点，其路由协议的设计也与现有通信网络的路由协议不同，尤其网络节点在一次性播撒的情况下，节点能量是不可再生的，所以，尽可能地延长网络生存期成为路由协议的首要设计目标。本文在总结和分析无线传感网领域已有拓扑控制方面研究成果的基础上，提出一种优化的无线传感网的拓扑结构作为分层路由协议的基础。针对有网关的多级簇树算法（Energy-Aware Multilevel Clustering Tree with Gateway  ,  EAMCT-G）算法中个别簇头节点因成员过多使其能量过早耗尽的问题，基于负载均衡的思想，本文通过引入能量和距离的综合权值，对簇成员节点加入簇的选择策略加以改进，以改善个别簇头节点负载压力过大的情况；再通过引入优化阈值和接收阈值，避免优化后新的负载不均衡情况出现，使能量在各个簇间均匀分布，从而延长整个网络的生存期。此外，本文还提出基于负载均衡的 EAMCT-G 优化算法的局部维护和更新算法，可以在较短时间内迅速使各节点建立连接，保证了网络的正常运行。
关键词：无线传感网；EAMCT-G；负载均衡；综合权值；优化阈值；接收阈值
目录
摘要  .............................................................................................................I
Abstract  ......................................................................................................  II
目录  ..........................................................................................................  III
1  绪论  ........................................................................................................  1
1.1  无线传感网的结构  .........................................................................................  1
1.2  无线传感网的特点  .........................................................................................  3
1.3  无线传感网的应用范围  .................................................................................  4
1.4  无线传感网的制约因素  .................................................................................  5
1.5  本文主要内容  .................................................................................................  6
2  无线传感网的路由协议  ........................................................................  7
2.1  无线传感网路由协议的特点  .........................................................................  7
2.2  无线传感网路由协议的设计标准  .................................................................  8
2.3  国内外研究现状及发展动态  .........................................................................  9
2.4  有网关的多级簇树算法的引出  ...................................................................  13
2.5  本章小结  .......................................................................................................  14
3  基于网关的多级簇树路由算法  ..........................................................  15
3.1  模型建立和问题描述  ...................................................................................  15
3.1.1  网络模型  ............................................................................................................. 15
3.1.2  能量模型  ............................................................................................................. 16
3.1.3  问题描述  ............................................................................................................. 17
3.2  算法描述  .......................................................................................................  17
3.2.1  节点分簇阶段 ..................................................................................................... 18
3.2.2  生成有网关的多级簇树阶段  .............................................................................. 18
3.2.3  特例说明  ............................................................................................................. 19
3.3  性能分析  .......................................................................................................  19
3.4  本章小结  .......................................................................................................  21
4  基于负载均衡的 EAMCT -G 优化算法  ..............................................  22
4.1  综合权值  .......................................................................................................  22
4.1.1  综合权值的引入 ................................................................................................. 22
4.1.2  利用综合权值的优化算法描述  .......................................................................... 23
4.1.3  特例说明  ............................................................................................................. 24
4.2  优化阈值和接收阈值  ...................................................................................  27
4.2.1  优化阈值和接收阈值的引入  .............................................................................. 27
4.2.2  基于负载均衡的 EAMCT -G 优化算法描述  ...................................................... 27
4.2.3  特例说明  ............................................................................................................. 28
4.2.4  节点数不同的示例图.......................................................................................... 30
4.3  基于负载均衡的 EAMCT -G 优化算法性能分析 .......................................  32
4.3.1  负载平衡因子 ..................................................................................................... 32
4.3.2  最大通信半径 R 对生存期的影响  ..................................................................... 33
4.3.3  簇头轮换频率对生存期的影响  .......................................................................... 34
4.4  基于负载均衡的 EAMCT -G 优化算法的维护和更新 ...............................  35
4.4.1  节点上线  ............................................................................................................. 36
4.4.2  节点下线  ............................................................................................................. 37
4.5  本章小结  .......................................................................................................  39
5  总结和展望  ..........................................................................................  40
5.1  全文总结  .......................................................................................................  40
5.2  研究展望  .......................................................................................................  41
参考文献  ..................................................................................................  43