無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)非均勻簇路由協(xié)議

1、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)非均無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)非均勻分簇路由協(xié)議勻分簇路由協(xié)議計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù) Wireless sensor networks目錄頁(yè) CONTENTS PAGE 01 研究背景與意義02 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀03 非均勻分簇路由協(xié)議的研究04 仿真分析過(guò)渡頁(yè) TRANSITION PAGE 01 研究背景與意義02 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀03 非均勻分簇路由協(xié)議的研究04 仿真分析01 研究的背景與意義4 第一章 研究背景與意義接入控制器接入控制器 無(wú)線訪問(wèn)控?zé)o線訪問(wèn)控制器制器 AC)【其實(shí)就是路其實(shí)就是路由器由器】AP1AP2STA2STA3STA1STA4STA5STA6STA7IP網(wǎng)絡(luò)匯聚層交換

2、機(jī)（宿匯聚層交換機(jī)（宿舍樓道交換機(jī)）舍樓道交換機(jī)）接入層交換機(jī)接入層交換機(jī)用一個(gè)實(shí)例引出無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)514宿舍宿舍515宿舍宿舍5 第一章 研究背景與意義無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的多跳、自組織網(wǎng)絡(luò)，這些傳感器節(jié)點(diǎn)可隨機(jī)分布在監(jiān)測(cè)區(qū)域，采集溫濕度等各類有用數(shù)據(jù)（采集），在進(jìn)行數(shù)據(jù)融合后（處理），傳遞給匯聚節(jié)點(diǎn)（傳輸），供用戶研究分析。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有價(jià)格低廉，可快速部署，規(guī)模大等特點(diǎn)，因而在環(huán)境檢測(cè)、智能家居、軍事國(guó)防等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，受到了國(guó)內(nèi)外研究人員的高度關(guān)注。6 第一章 研究背景與意義無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧7 第一章 研究背景與意義路由協(xié)議是無(wú)線傳

3、感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一，它對(duì)網(wǎng)絡(luò)的存活時(shí)間有至關(guān)重要的影響。它的作用是降低單個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量消耗，均衡整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量消耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議概述路由就是指導(dǎo)數(shù)據(jù)包發(fā)送的路徑信息。路由協(xié)議是在路由指導(dǎo)數(shù)據(jù)包發(fā)送過(guò)程中事先約定好的規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)。8 第一章 研究背景與意義不同的應(yīng)用需求，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議也是不一樣的分為主動(dòng)型路由協(xié)議與響應(yīng)型路由協(xié)議。前者針對(duì)的是持續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，周期性發(fā)送數(shù)據(jù)給 Sink 節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)；后者針對(duì)的是只在預(yù)定的事件發(fā)生時(shí)，才會(huì)發(fā)送數(shù)據(jù)給 Sink 節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)。1.按照數(shù)據(jù)的傳輸模式分為支持 QoS 的路由協(xié)議與不支持 QoS 的路由協(xié)議，在對(duì)通

4、信的服務(wù)質(zhì)量高要求的應(yīng)用場(chǎng)合，需要設(shè)計(jì)可靠性高的路由協(xié)議，即基于服務(wù)質(zhì)量的路由協(xié)議。2.按照是否考慮服務(wù)質(zhì)量；分為平面路由與分簇路由協(xié)議。其中平面路由協(xié)議的應(yīng)用范圍較小，只適用于網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)目較少的情況；分簇路由協(xié)議的可擴(kuò)展性強(qiáng)，已經(jīng)成為研究重點(diǎn)之一。3.按照構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；按照是否考慮安全性，分為安全性的路由協(xié)議與非安全性的路由協(xié)議；按照是否考慮支持多路徑傳輸，分為多路徑傳輸?shù)穆酚蓞f(xié)議與非多路徑傳輸?shù)穆酚蓞f(xié)議。4.按照是否考慮地理位置信息路由協(xié)議的分類過(guò)渡頁(yè) TRANSITION PAGE 01 研究背景與意義02 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀03 非均勻分簇路由協(xié)議的研究04 仿真分析02 國(guó)內(nèi)外

5、研究現(xiàn)狀10 第二章 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀2.1 非均勻分簇路由技術(shù)的發(fā)展2005定義節(jié)點(diǎn)的“競(jìng)爭(zhēng)半徑”概念，根據(jù)節(jié)點(diǎn)與簇頭的距離，設(shè)置大小不等的競(jìng)爭(zhēng)半徑，來(lái)劃分進(jìn)行非均勻分簇。2007MNUC 算法在競(jìng)爭(zhēng)半徑的計(jì)算中，不僅考慮距離因素，還考慮節(jié)點(diǎn)能量因素，使選舉的簇頭更符合要求；2005 年 Soro 等人提出 UCS 協(xié)議，這是首個(gè)含有非均勻分簇思想的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。在之后的發(fā)展中考慮的方面不段增加， 如考慮簇頭到 Sink 節(jié)點(diǎn)的最佳多跳跳數(shù)從而定義競(jìng)爭(zhēng)半徑的最大值， 結(jié)合距離、能量、子節(jié)點(diǎn)數(shù)目三個(gè)因素考慮節(jié)點(diǎn)入簇階段，總之方法越來(lái)越完善，11 第二章 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀2.1 非均勻

6、分簇路由技術(shù)的發(fā)展BR-EEUC 算法考慮到 EEUC 在簇頭競(jìng)選過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的廣播消息開(kāi)銷，用節(jié)點(diǎn)剩余能量與其鄰居節(jié)點(diǎn)的平均剩余能量定義“廣播等待時(shí)間”趙小川等人提出 NuGPM 算法，其創(chuàng)新在于用粒子群優(yōu)化選舉最優(yōu)的各層網(wǎng)格的寬度大小組合 李成法等人又提出了 EEUC 路由算法，EEUC 是一個(gè)分布式的競(jìng)爭(zhēng)算法 本文重點(diǎn)論述了基于 EEUC 的 WSN 雙簇頭路由算法D-EEUC 路由算法（一種改進(jìn)的EEUC路由算法）12 第二章 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀2.2 本文對(duì)非均勻分簇路由技術(shù)的研究論文主要研究了基于 EEUC 的改進(jìn)路由算法，其實(shí)是結(jié)合了典型的分層路由協(xié)議LEACH（低功耗自適應(yīng)聚

7、類分級(jí)）路由協(xié)議和分布式的競(jìng)爭(zhēng)算法EEUC的一個(gè)雙簇頭選舉方法。1.雙簇頭非均勻路由協(xié)議p 將雙簇頭機(jī)制與非均勻分簇結(jié)合起來(lái)，分析了一種基于 EEUC 的改進(jìn)算法，主要思想是將數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)區(qū)域分為近區(qū)與遠(yuǎn)區(qū)，各區(qū)域的簇內(nèi)可產(chǎn)生主副兩個(gè)簇頭，近區(qū)的副簇頭負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，以分擔(dān)主簇頭的能耗；遠(yuǎn)區(qū)的副簇頭負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)和融合數(shù)據(jù)，以減少簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)通信代價(jià)。2. 協(xié)議重點(diǎn)改進(jìn)與優(yōu)化p 選舉主簇頭過(guò)程中改進(jìn)了 EEUC 算法候選簇頭方式（結(jié)合了LEACH+能量），提高候選簇頭的節(jié)點(diǎn)質(zhì)量。p 在選舉遠(yuǎn)區(qū)的副簇頭的過(guò)程中，綜合考慮節(jié)點(diǎn)密度、與主簇頭間的距離和節(jié)點(diǎn)能量等影響因子。過(guò)渡頁(yè) TRANSITION PAGE

8、01 研究背景與意義02 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀03 非均勻分簇路由協(xié)議的研究04 仿真分析03 非均勻分簇路由協(xié)議的研究14 第三章 EEUC 是一個(gè)分布式的競(jìng)爭(zhēng)算法，其主要思想是：定義了節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)半徑，在當(dāng)選簇頭的競(jìng)爭(zhēng)半徑內(nèi)的其他候選簇頭全部退出競(jìng)選，以此進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的非均勻分簇，使得距 Sink 節(jié)點(diǎn)近的簇較小，距 Sink 節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)的簇較大。較小的簇的成員節(jié)點(diǎn)較少，簇頭節(jié)點(diǎn)就能省下能量作為轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)使用，達(dá)到解決“熱區(qū)”問(wèn)題的目的。傳統(tǒng)的非均勻分簇EEUC路由協(xié)議的簡(jiǎn)單介紹15 第三章3.1基于非均勻分簇的WSN雙簇頭路由算法基于非均勻分簇的 WSN 雙簇頭路由算法(D-EEUC 算法)的主要思想

9、D-EEUC 協(xié)議的主要思想是在 EEUC 協(xié)議的基礎(chǔ)上，根據(jù)距離 Sink 節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)近，將監(jiān)測(cè)區(qū)域大致分為近區(qū)與遠(yuǎn)區(qū)，分區(qū)域選舉雙簇頭。 近區(qū)的主簇頭負(fù)責(zé)采集和融合數(shù)據(jù)，傳給副簇頭，由副簇頭進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，同時(shí)副簇頭還負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)其他簇的采集數(shù)據(jù)。 離匯聚節(jié)點(diǎn)（sink節(jié)點(diǎn)）距離較遠(yuǎn)的遠(yuǎn)區(qū)的主簇頭負(fù)責(zé)接收副簇頭融合的信息，并將信息通過(guò)多跳的方式轉(zhuǎn)發(fā)，遠(yuǎn)區(qū)的副簇頭負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)和融合數(shù)據(jù)， 以減少簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)通信代價(jià)16 第三章D-EEUC協(xié)議的分簇示意圖 B 是一個(gè)簇內(nèi)的副簇頭，同時(shí) A、B、C 構(gòu)成一條鏈，B 又是 A 與 C的中轉(zhuǎn)簇頭。已有的一些雙簇頭機(jī)制的路由算法，其主、副簇頭的工作模式與此處近區(qū)

10、的一致。本文是近區(qū)與遠(yuǎn)區(qū)的主、副簇頭的工作模式不同基站3.1 第一步：區(qū)域劃分（近區(qū)，遠(yuǎn)區(qū)） 本文利用節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)半徑 Rc進(jìn)行區(qū)域的劃分，節(jié)點(diǎn)按照一個(gè)預(yù)先設(shè)置的閾值選出候選簇頭， 候選簇頭參與競(jìng)選， 未成為候選簇頭的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)直至簇頭競(jìng)選結(jié)束， 各候選簇頭具有各自的競(jìng)爭(zhēng)半徑為： dmax與 dmin 分別是網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)到 Sink節(jié)點(diǎn)的最大距離和最小距離，d(si,BS) 為節(jié)點(diǎn)到 Sink 節(jié)點(diǎn)的距離，R0c為競(jìng)爭(zhēng)半徑的最大值，c 為 01之間的參數(shù) 距離是線性遞減的關(guān)系， 取值范圍為 取最小值與最大值的平均值為 ?？紤]到非均勻分簇的區(qū)域中， 靠近 Sink 節(jié)點(diǎn)的簇規(guī)模小于遠(yuǎn)離 Sin

11、k 節(jié)點(diǎn)的簇， 近區(qū)的簇?cái)?shù)目多于遠(yuǎn)區(qū)的簇?cái)?shù)目， 因此將 近 區(qū) 與 遠(yuǎn) 區(qū) 的 劃 分 界 限 值 定 為。當(dāng)主簇頭的競(jìng)爭(zhēng)半徑大于界限值時(shí)， 判定該簇屬于遠(yuǎn)區(qū)， 反之屬于近區(qū)0c1 /2 Rc00cc1R Rc0c1 /2 Rc18 第三章3.2主簇頭的選舉 在 EEUC 算法中，首先依據(jù)預(yù)設(shè)的閾值T 在網(wǎng)絡(luò)中選出部分節(jié)點(diǎn)成為候選簇頭，再由候選簇頭參與競(jìng)選最終簇頭。D-EEUC算法不用閾值T 來(lái)競(jìng)爭(zhēng)候選簇頭，使用改進(jìn)的 LEACH 算法的簇頭競(jìng)選方式，使候選簇頭的選擇更加合理，閾值 T ( n )如公式 所示： 選出候選簇頭后，借鑒 EEUC 算法的最終簇頭競(jìng)選規(guī)則，采用候選簇頭在局部區(qū)域進(jìn)行

12、競(jìng)爭(zhēng)的方法，選出 D-EEUC 算法的主簇頭傳統(tǒng)LEACH競(jìng)選輪數(shù)達(dá)到20輪，既P=0.05效果最好，本文結(jié)合EEUC算法最好的競(jìng)選輪數(shù)2.5輪即P=0.419 第三章3.2主簇頭的選舉 近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)的主簇頭利用該算法選舉同時(shí)完成！20 第三章3.3 近區(qū)副簇頭的選舉分析 主簇頭選舉完成后， 在全網(wǎng)范圍內(nèi)廣播競(jìng)選獲勝的消息， 普通節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求入簇的信息。主簇頭接收到請(qǐng)求入簇的信息后， 進(jìn)行副簇頭的選舉。近區(qū)的簇規(guī)模較小， 在簇內(nèi)選取剩余能量大、 距主簇頭近的節(jié)點(diǎn)作為副簇頭； 遠(yuǎn)區(qū)的簇規(guī)模較大， 在簇內(nèi)選取剩余能量大、 周?chē)?jié)點(diǎn)密集的節(jié)點(diǎn)作為副簇頭。21 第三章3.3 遠(yuǎn)區(qū)副簇頭的選舉分析步驟 1

13、：主簇頭廣播其當(dāng)選的消息，簇內(nèi)普通節(jié)點(diǎn)發(fā)送入簇申請(qǐng)，申請(qǐng)消息里還有各自的鄰居節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；步驟 2：在申請(qǐng)入簇的節(jié)點(diǎn)中，主簇頭計(jì)算出各節(jié)點(diǎn)與自己之間的距離，主、副簇頭不宜靠得太近，選出其中大于最小距離值dmin的節(jié)點(diǎn)；步驟 3：副簇頭應(yīng)處于較為密集的區(qū)域，在滿足上述步驟的節(jié)點(diǎn)中，比較它們的簇內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，選出擁有鄰居節(jié)點(diǎn)最多的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)；步驟 4：比較兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的剩余能量，能量多的節(jié)點(diǎn)當(dāng)選為副簇頭。22 第三章3.1 簇的形成 在主、副簇頭都選舉完成后，普通節(jié)點(diǎn)會(huì)選擇合適的簇頭加入，完成簇的建立，分別考慮近區(qū)與遠(yuǎn)區(qū)的成簇： 在遠(yuǎn)區(qū)，主簇頭在申請(qǐng)入簇的節(jié)點(diǎn)中選出副簇頭后，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可根據(jù)需要調(diào)整自

14、身發(fā)射功率，令副簇頭以主簇頭的競(jìng)爭(zhēng)半徑CR 為半徑進(jìn)行廣播，此時(shí)副簇頭也不需要進(jìn)行全網(wǎng)范圍的廣播。簇內(nèi)的普通節(jié)點(diǎn)接收到副簇頭的當(dāng)選信息，在主簇頭與副簇頭中，根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度重新申請(qǐng)入簇。主、副簇頭確認(rèn)入簇請(qǐng)求，建立 TMDA 調(diào)度，進(jìn)入簇內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸階段。在遠(yuǎn)區(qū)簇內(nèi)，原先的一個(gè)簇劃分為兩個(gè)小簇，主副簇頭各采集部分節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。 23 第三章在 D-EEUC 協(xié)議中，假設(shè)簇內(nèi)的數(shù)據(jù)相似度大，可進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，而對(duì)來(lái)自其它簇的采集數(shù)據(jù)，簇首直接做轉(zhuǎn)發(fā)處理，不再進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。 遠(yuǎn)區(qū)的簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)分為兩部分，一部分將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給主簇頭，另一部分將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給副簇頭，副簇頭在融合數(shù)據(jù)完畢后，會(huì)再交由主簇頭

15、。3.2 D-EEUC協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸 在簇內(nèi)通信階段，D-EEUC 采用單跳傳輸?shù)姆绞?。近區(qū)的簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給主簇頭，主簇頭在融合數(shù)據(jù)完畢后，再交由副簇頭；過(guò)渡頁(yè) TRANSITION PAGE 01 研究背景與意義02 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀03 非均勻分簇路由協(xié)議的研究04 仿真分析04 仿真分析25 在 matlab 平臺(tái)下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，將 400 個(gè)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在一個(gè)200 m 200m的監(jiān)測(cè)區(qū)域中，Sink 節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)定為(100，250)。假設(shè)采用理想的 MAC 協(xié)議，不發(fā)生碰撞錯(cuò)誤，也忽略掉無(wú)線鏈路中可能發(fā)生的丟包等情況，具體的實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表 4.1 所示。其中R 是用來(lái)測(cè)量節(jié)

16、點(diǎn)周?chē)泥従庸?jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的通信半徑，在R 范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)才會(huì)被認(rèn)為是某節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)； 是用來(lái)控制遠(yuǎn)區(qū)的副簇頭至主簇頭之間距離的參數(shù)。4.1協(xié)議仿真參數(shù)26 簇頭的位置分布共有 400 個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)D-EEUC 算法的分簇效果近區(qū)有 10 個(gè)規(guī)模較小的簇，遠(yuǎn)區(qū)有 5 個(gè)規(guī)模較大的簇，每個(gè)簇內(nèi)都有兩個(gè)簇頭，且主、副簇頭的位置分布也較為合理27 4.2網(wǎng)絡(luò)生命周期與剩余能量為了驗(yàn)證 D-EEUC 算法的可行性與有效性，實(shí)驗(yàn)中分別對(duì) LEACH、EEUC 及D-EEUC 算法進(jìn)行仿真，以網(wǎng)絡(luò)生命周期和網(wǎng)絡(luò)剩余能量作為性能優(yōu)良的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)在 D-EEUC 協(xié)議的仿真過(guò)程中，觀察節(jié)點(diǎn)失效率(

17、即能量耗盡的節(jié)點(diǎn)數(shù)占總節(jié)點(diǎn)數(shù)的比例) 達(dá)到 60%時(shí)的節(jié)點(diǎn)分布情況，圖中圓形表示未失效的節(jié)點(diǎn)，叉形表示已失效的節(jié)點(diǎn)。由圖可以看出，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，死亡節(jié)點(diǎn)的位置分布較為合理28 遠(yuǎn)區(qū)的節(jié)點(diǎn)沒(méi)有大面積的死亡，表明采取雙簇頭的機(jī)制，很好地緩減了遠(yuǎn)區(qū)較大規(guī)模簇的簇內(nèi)通信代價(jià)；近區(qū)的節(jié)點(diǎn)也沒(méi)有大面積的死亡，表示較好地解決了熱點(diǎn)區(qū)域問(wèn)題，滿足預(yù)先的設(shè)計(jì)要求。4.2網(wǎng)絡(luò)生命周期與剩余能量D-EEUC 的末節(jié)點(diǎn)失效最晚，較 EEUC 與 LEACH 分別延遲了 10.1%和 22.9%。D-EEUC 達(dá)到延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期的目的。29 針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的“熱區(qū)”問(wèn)題，考慮研究非均勻分簇思想的路由協(xié)議，論述了基于 EEUC 的 WSN