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1、太原理工大学 硕士学位论文 基于模糊逻辑的无线传感器网络分簇路由协议的研究 姓名：沈晓瑞 申请学位级别：硕士 专业： 指导教师：胡彧 太原理工大学硕士研究生学位论文 I 基于模糊逻辑的无线传感器网络分簇路由协议的研究 摘 要 在无线传感器网络体系结构中，网络层路由协议对无线传感器网络的 设计起到决定性的作用。路由协议设计的主要目标是减少能量消耗，促进 网络负载均衡，从而延长整个网络的生命周期。分簇路由协议通过分布式、 自组织的方式成簇，管理簇内成员节点，融合簇内数据，选择合适路径将 融合数据发送给基站，可以达到均匀消耗网络节点的能量，从而有效的延 长网络的寿命。 本文在分析了无线传感器网络的结
2、构、特点、应用及挑战等问题后， 对 LEACH 等主要分簇路由协议进行详细的阐述， 并具体比较了各种协议的 性能； 通过分析 LEACH 路由协议的运行机制， 指出该协议存在随机选举簇 头节点，导致节点能量消耗不均衡的缺陷。针对上述问题，本文提出了一 种改进的基于模糊逻辑的分簇路由协议 （CRPFL） 。 该协议包括了两个阶段： 簇的形成阶段和稳定的数据传输阶段。在簇的形成阶段，基于模糊逻辑的 簇头选举算法是该协议设计核心及研究重点。模糊逻辑簇头选举算法的基 本原理是：剩余能量和相邻节点的数目是簇头选举最主要的两个因素，通 过传感器节点能量区分等级将剩余能量划分为 4 个等级，通过相邻节点有
3、效数目将相邻节点数目划分为 3 个等级，根据经验提炼，并结合剩余能量 和相邻节点数目等级划分情况，定义了 12 条模糊规则，模糊推理的结果是 节点的成簇概率，概率最大的节点当选为簇头，从而实现了简单高效簇的 形成。在稳定的数据传输阶段，簇头将融合簇内数据并发送给基站。协议 通过 MATLAB 模糊逻辑工具箱来定义录属度函数和模糊规则， 最优簇的选 举算法通过 MATLAB 代码实现。仿真实验表明，场景为 100 米100 米的 网络区域中，节点能量分别为 0.25 J、0.5 J、1 J、2 J 时，CRPFL 协议的网 太原理工大学硕士研究生学位论文 II 络生命周期比 LEACH 协议大约
4、提高了 23.1、19.1、17.7、16.0。同 时，与改进的分簇路由协议（EECH、CEFL）相比，CRPFL 协议的网络生 命周期都有不同程度的改善，故此证明，CRPFL 协议具有较好的能量优化 特性。 关键词：无线传感器网络，分簇路由协议，簇头，LEACH，模糊逻辑 太原理工大学硕士研究生学位论文 III RESEARCH ON CLUSTERING ROUTING PROTOCOL USING FUZZY LOGIC IN WIRELESS SENSOR NETWORK ABSTRACT In the wireless sensor network architecture, the
5、 design of routing protocol in network layer for wireless sensor networks has played a decisive role. The main objective of routing protocol design is to reduce energy consumption, balance the network load, prolong lifetime of the entire network. Clustering routing protocol forms cluster by using a
6、distributed and self-organized algorithm, organizes intermediate nodes within a cluster, combines the date from the individual nodes and chooses the right path to send the fusion data to the base station, which could evenly consume the energy consumption of network nodes, effectively extend network
7、lifespan. Firstly, this paper analyzes the structure, features, application fields and challenges of wireless sensor networks. Moreover, through the researches against the clustering routing protocols represented by LEACH and improved LEACH protocol, a detailed contrast and analysis on the performan
8、ce index have been put up. In consideration of the mechanism of LEACH, we found that the energy consumption of each node is unbalanced due to the random selection of cluster nodes. To solve these disadvantages, a novel clustering routing protocol using fuzzy logic (CRPFL) has been proposed, which in
9、cludes two phases, the set-up phase and the steady-state phase. During the set-up phase, cluster heads selection based on fuzzy logic are the kernel of CRPFL protocol design. The principle of fuzzy logic approach to cluster head selection algorithm is described as follows: two main factors of cluste
10、r selection are remaining 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV energy and the number of neighbor nodes, the remaining energy is divided into four levels according to sensor nodes energy. Also, the number of neighboring nodes is divided into three levels. Considering the experience and the two factors mentioned above,
11、 twelve fuzzy logic rules are defined. These rules are used to gain the probability of each node, of which these nodes with the maximal probability will be selected as clusters. During the steady-state phase, the newly-selected clusters fuse information gathered from nodes within the cluster and the
12、n send to the base station. Membership functions and fuzzy logic rules are defined through MATLAB tool box and the optimal selection algorithm is coded with MATLAB. Finally, the experimental simulations on the MATLAB platform have been carried out. The simulation scenario is that 100 nodes are rando
13、mly deployed in 100m100m network area, and the energy was set to 0.25 J, 0.5 J, 1 J, 2 J. Experimental results have showed that CRPFL protocol prolongs the lifetime of the network about 23.1%, 19.1%, 17.7%, 16.0% respectively compared with LEACH protocol. Meanwhile, compared with other clustering ro
14、uting protocols such as EECH and CEFL, the performances of CRPFL have improved differently in terms of network lifetime. So it is safely concluded that our proposed protocol CRPFL has a relatively better energy-efficient characteristic. KEY WORDS: wireless sensor networks, clustering routing protoco
15、l, cluster head, LEACH, fuzzy logic 太原理工大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 研究现状与背景 无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是集嵌入式系统、无线通信系 统和传感器系统为一体的，大量部署于监测区域内部微型的、廉价的、低功耗的传感器 节点通过无线通信方式形成的多跳网络。目的是协同的感知、采集和处理网络覆盖区域 内被监测对象的信息，并发送给观察者1。 WSN 的研究早在上世纪 70 年代就最先在美国开始，美国国防部高级计划局 （Defense Advanced Research Projects Agency,
16、DARPA） 是 WSN 研究早期的主要推动者， 其研究的重点是传感器节点之间进行简单的点对点通信。1988 年 Gregory.J.Pottie 从网 络研究的角度重新阐释了 WSN 的科学意义。1999 年 9 月，无线传感器网络被美国商业 周刊列为 21 世纪最有影响的改变世界的十大技术之一，还被麻省理工学院（MIT）技 术评论列为全球未来的三大高科技产业。我国最近几年也开始重视 WSN 技术的研究， 国家自然科学基金委员会资助了很多 WSN 研究项目。在“中国未来 20 年技术预见研 究”报告中，有 7 项技术课题直接论述了传感网络。2006 年初发布的国家中长期科 学与技术发展规划纲要 为信息技术确定了 3 个前沿方向， 其中有两个与 WSN 研究直 接相关。目前，国家 973 计划、国家自然科学基金和国家 863 高科技计划等国家和省部 级科技发展“十一五”规划也设有专项资助该领域的理论、方法和关键技术研究。在节 点体系结构、通信协议、覆盖、协同设计和数据管理等方面取得了若干重要成果。根据 研究侧重点的不同 WSN 到现在的发展历程可划分为三
