无线传感器网络的节能研究（本科毕业论文）(12)

（3）在多个能量水平值最大的簇头节点中选择距离汇聚节点最近的簇头节点作为下一跳的路由节点。

（4）将该路由节点作为起始节点，重复(1)、（2）、（3）步。

这样，在汇集节点和每个需要采集信息的普通节点之间就形成了一条稳定的路径，这使得簇内普通节点传送数据到簇头节点以及簇头节点传送融合数据到汇集节点的过程中，采用了新的路由策略，具有更好的节能性。

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第4章 EDEBCRP-MN协议性能分析

以下从网络生存时间、节点传送数据到汇聚节点的成功率对LEACH 协议、MRPS 协议、EDEBCRP-MN协议进行比较分析。

4.1 网络生存时间

网络生存时间指从网络开始工作到网络最后一个节点死亡所持续的时间，但网络的生存时间无法直接算出，而只能通过计算网络中每个节点发送一次采集数据到汇聚节点平均消耗的能量来估算网络的生存时间。

4.2 簇头节点发送数据到聚集节点成功率

簇头的产生是簇形成的基础，分簇路由算法的第一步就是考虑怎样产生簇头，在一些协议中，比如ECMR（Energy-Conscious Message Routing），簇头是被预先指定部署的，且假设他们的能量并不受限。这与一般的无线传感器网络不同，大多数分簇路由协议是让能量受限的传感器节点承担簇头的任务。为了延长网络的生命周期，簇头需要周期性的更新。簇头的产生方法、数量和位置决定了最终形成的簇的结构、大小和数量，从而也影响了节点的能量耗费进度和网络的生命周期。

根据簇头产生方式的不同，可以把簇头产生算法分为分布式和集中式两种。分布式算法包括两类：一类是由节点根据某个阈值自主决定是否当选簇头，如LEACH 算法；另一类是通过节点之间的信息交互动态产生簇头，如HEED 算法。集中式算法是指由汇聚节点基于整个网络信息挑选簇头，如LEACH-C算法和本文所述的MRPS 算法。纯粹的分布式算法每轮产生的簇头没有确定的数量和位置，而纯粹的集中式算法在每轮的簇头阶段都需要将网络中所有节点的信息传送到汇聚节点，开销巨大，并且要求稳定数据传输阶段的时间要远远大于分簇阶段时间。EDEBCRP-MN 算法第一轮采用集中式算法形成簇并产生簇头节点和管理节点，以后便采用分布式算法由管理节点主持完成簇头节点的重新选举，这样不仅克服了纯粹集中式簇头产生方式或者纯粹分布式簇头产生方式的缺点，还大大提高了簇头节点传送数据到汇聚节点的成功率。

我们假设三种算法稳定数据通讯时间均为Tdata(实际上，我们提出的EDEBCRP-MN 算法由汇聚节点将监测区域固定划分为多个簇之后，以后便采用分布式簇头产生方式产生簇头，各个簇的稳定数据通讯时间不是同步的），设共有nc个簇头节点，平均每个簇头节点传送一次数据到汇聚节点时间为t，设m?[Tdata/t]，如果节点能量无限且不会发

生任何硬件故障，则在Tdata内汇聚节点共接收到来自簇头节点的数据mnc次（包括间接

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接收）。但是实际上我们必须考虑节点能量不足或者硬件故障等原因，假设在时间t 内，每个簇头节点因能量不足或硬件故障等原因发送数据失败的概率为Pf。

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总结

本文主要分析实际的无线传感器网络模型特点，分析指出无线传感器网络存在的最大不足是系统的能耗，并针对这一缺点提出无线传感器网络的首要设计目标是节能，延长网络的生命周期。本文在以后各章节主要介绍了无线传感器网络的节点结构、网络协议栈，分析了传感器节点的能量消耗情况，发现无线传感器节点大部分能量都消耗在无线通信模块，所有路由协议的设计对无线传感器网络的性能至关重要，因此，本文对无线传感器网络的路由协议进行了深入的研究和分析。通过大量的研究，我们发现分簇路由协议具有拓扑管理方便、能量利用率高、数据融合简单等优点，成为当前路由技术研究的重点。但是，目前所提出的分簇路由协议整体性能表现良好的并不多，还有待进一步改善。因此，本文提出一种基于能量均匀分配的带管理节点的分簇路由协议——EDEBCRP-MN协议。

EDEBCRP-MN协议综合考虑了网络节点负载平衡、多跳、节点剩余能量和数据融合等因素，并提出以下创新研究：

（1）建议了集中式固定分簇和分布式簇头选举结合的策略，首先利用汇聚层节点进行集中式固定分簇，在随后稳定通信阶段分布式实现簇头的重新选举，以减少分簇阶段的能量消耗，延长网络的生命周期。

（2）建议了一种新的节点命名机制——用一个四元组（x,y,n,k）来表示一个节点，容易区分出物理位置相近的节点，避免位置相近的节点发送冗余数据，并且使路由选择更加容易。

（3）在每个簇内引入一个管理节点，该节点在稳定数据通信数据阶段负责监督簇头节点的状态，当发现簇头节点能量不足或者意外死亡时，主持完成簇头节点的重新选举，曾强了系统的鲁棒性。

（4）在簇内普通节点传送数据到簇头节点和簇头节点传送融合数据到汇集节点的过程中，采用了新的路由策略，具有较好的节能性。

本文针对无线传感器网络的特点提出了EDEBCRP-MN协议，它主要从节能方面考虑，延长了网络的生命周期，具有很好的实用价值。由于知识结构和时间有限，本文对无线传感器网络的介绍很有局限，还可从以下三个角度入手进一步解决无线传感器网络分簇路由的问题：

(1) 在簇头选择中，考虑更有效的簇头选择算法和簇头负载平衡算法。一

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般来说，我们都是基于节点的某个属性来选择簇头，这个属性的选取与具体应用有关，反映系统倾向于何种性质的节点成簇头，比如本文所提出的EDEBCRP-MN算法是选择能量最大并且距离划分区域中心较近的节点作为簇头节点，但是这并非挑选簇头的唯一约束因素，在复杂的特定应用中，我们还必须考虑节点的位置、到汇聚节点的距离、计算能力和移动性等因素。另外，簇头的数量和位置分布对网络的负载平衡具有重大影响，也需要我们进一步的研究。

（2）信号干扰是分簇路由的一大困扰，解决这个问题一方面需要来自数据链路层的支持，另一方面，信号分配以簇的形成紧密相关，如何把二者结合起来，降低网络初始化的功耗，也是分簇算法需要深入考虑的问题。

（3）能量感知的QoS分簇路由越来越受到重视，它将在目标的实时追踪等方面得到应用，也是我们以后研究的一个方向。 本人对无线传感器网络的认识还不够深入、全面，文中会有一些疏漏和错误也在所难免，敬请阅读本文的各位老师和同学加以批评指正。

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