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1、 装订线 本科生毕业论文（设计） 题目：无线传感器网络分簇算法研究 系 部 计算机科学与技术 学科门类 工 科 专 业 计算机科学与技术 学 号 0810110013 姓 名 指导教师 2012 年 5 月 15 日无线传感器网络分簇算法研究摘 要无线传感器网络是大量传感器节点以自组织和多跳的方式构成的无线网络。传感器节点一般都被安置在野外甚至是人们无法到达的地方，只能靠自带的电池供电，网络节点的能量极其有限，因此所有的信息处理策略都必须考虑到尽可能地降低节点能耗。分簇算法是将无线传感器网络分成若干个簇，每个簇选出一个簇头，簇头作为本地基站将簇内节点传给它的数据进行融合后再传给基站，因而大大降
2、低了节点消耗的能量，延长了网络寿命。本文阐述典型的无线传感器网络，着重对LEACH算法进行分析。在windows系统中搭建NS2无线传感器网络模拟平台，并对LEACH算法进行仿真模拟，观察此算法的运行过程，分析LEACH算法的优缺点，论证了LEACH算法的可行性与高效性。关键词：无线传感器网络 LEACH算法 NS2 分簇ABSTRACTThe wireless sensor network consists of a large number of sensor nodes in the way of self-organizing and multi-hop. Sensor nodes a
3、re generally placed in the wild, or even in the place where people cannot reach. It can only rely on the built-in battery-powered. Network node energy is extremely limited, so all of the information processing strategies must take reducing node power consumption into account as much as possible. Clu
4、stering algorithm is to divide wireless sensor network into several clusters, then elect a cluster head from each cluster. The cluster head functions as a local base station, integrating the data which the cluster node has passed to it and then pass the result to the base station. Thus, the node ene
5、rgy consumption is reduced greatly, this can help to prolong the lifetime of the network.This paper elaborates a typical wireless sensor network, it focuses on analyzing the LEACH algorithm. Setting up a NS2 wireless sensor network simulation platform in the windows system and doing the LEACH algori
6、thm simulation to observe the running of this algorithm; besides, analyzing the advantages and disadvantages of LEACH algorithm and demonstrating the feasibility and efficiency of the LEACH algorithm.Key words: wireless sensor networks LEACH algorithm NS2 clustering目 录第1章 绪论11.1 课题研究背景与意义11.2 国内外研究现
7、状11.3 本文研究内容21.4 本文组织结构2第2章 无线传感器网络概述32.1 无线传感器网络基本概念32.1.1 无线传感器网络体系结构32.1.2 传感器网络的特征32.2 无线传感器网络的应用32.3 无线传感器的关键技术4第3章 无线传感器网络拓扑控制63.1 拓扑控制概述63.2 功率控制73.2.1 概述73.2.2 基于节点度的算法73.2.3 基于邻近图的算法83.3 层次型拓扑结构控制103.3.1 LEACH算法103.3.2 GAF算法10第4章 LEACH算法协议124.1 LEACH算法原理124.2 LEACH算法的分析与实现124.3 LEACH算法的特点13
8、4.4 算法中存在的问题分析及改进134.4.1 算法中的问题134.4.2 LEACH算法的改进13第5章 LEACH算法仿真165.1 NS2仿真软件165.1.1 NS2仿真软件概述165.1.2 NS2扩展功能175.1.3 NS2软件构成175.1.4 使用方法185.2 LEACH算法仿真195.2.1 LEACH算法实现195.2.2 核心代码分析255.2.3 NSG2可视化工具介绍305.2.4 LEACH算法仿真结果分析31第6章 结论34致 谢35参考文献36附 录37第1章 绪论1.1 课题研究背景与意义传感器网络节点的能量极其有限，所有的信息处理策略都必须考虑到尽可能
9、地降低节点能耗，以便延长网络和整个系统的寿命。将传感器节点组织成簇的形式能有效减少网络的能量消耗，许多能量有效的路由协议都是在簇结构的基础上进行设计的。分簇算法也可以用于执行数据融合，将无线传感器感测的大量数据组合成少量有意义的信息集合。在簇结构下，算法只在一个簇范围内执行而不需要等待控制消息传遍整个网络。在大型网络中，这一特点使得局部化算法比在整个全局结构中执行的中心化算法具有更好的扩展性。同时，分簇算法的研究对于信息广播和数据查询也非常有用，簇头可以在簇内协助广播消息和搜集用户需要的数据。无线传感器网络是新兴的下一代传感器网络。最早的代表性论述出现在 1999 年，题为“传感器走向无线时代
10、”。随后在美国的移动计算和网络国际会议上，提出了无线传感器网络是下一个世纪面临的发展机遇。2003年，美国技术评论 杂志论述未来新兴十大技术时，无线传感器网络被列为第一项未来新兴技术。同年，美国商业周刊未来技术专版，论述四大新技术时，无线传感器网络也列人其中。美国今日防务杂志更认为无线传感器网络的应用和发展，将引起 一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革。2004年(IEEE Spectrum)杂志发表一期专集：传感器的国度，论述无线传感器网络的发展和可能的广泛应用。可以预计，无线传感器网络的发展和广泛应用，将对人们的社会生活、产业变革带来极大的影响和产生巨大的推动1。1.2 国内外研究现状
11、无线传感器网络是从传感器网络开始的，第一代传感器网络出现在 20世纪70年代。使用具有简单信息信号获取能力的传统传感器，采用点对点传输、连接传感控制器构成传感器网络；第二代传感器网络，具有获取多种信息信号的综合能力，采用串、并接口(如Rs-232、RS-485)与传感控制器相联，构成有综合多种信息的传感器网络；第三代传感器网络出现 在20世纪90年代后期和本世纪初，用具有智能获取多种信息信号的传感器，采用现场总线连接传感控制器，构成局域网络，成为智能化传感器网络；第四代传感器网络正在研究开发，目前成形并大量投入使用的产品还没有出现用大量的具有多功能多信息信号获取能力的传感器，采用自组织无线接入
12、网络，与传感器网络控制器连接，构成无线传感器网络。20世纪90年代在美国发端了现代意义的无线传感器网络技术。随后，该技术被一些重要机构预测为将改变世界的重要新技术，相关研究工作在各主要发达国家轰轰烈烈地开展起来。我国现代意义的无线传感器网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动，首次正式出现于1999年中国科学院知识创新工程试点领域方向研究的“信息与自动化领域研究报告”中，最为该领域提出的五个重大项目之一。随着知识创新工程试点工作的深入，2001年中国科学院依托上海微系统所成立微系统研究与发展中心，旨在引领中国科学院内部的相关工作。为系统研究与发展中心在无线传感器网络方向上陆续部署了若干重大研究项
13、目和方向性项目，参加单位包括上海微系统所、声学所、微电子所、半导体所、电子所、软件以及中国科技大学等10余个研究所和高校。进过几年的努力，初步建立了传感器网络系统的研究平台，在无线智能传感器网络通信技术、微型传感器、传感器端机、移动基站和应用系统等方面取得了很大进展。2004年9月相关成果在北京尽心了大规模外场演出，部分成果已在实际工程系统中应用2。1.3 本文研究内容在满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制和骨干网节点选择，剔除节点之间不必要的通信链路，形成一个数据转发的优化网络结构。功率控制机制调节网络中每个节点的发射功率，在满足网络连通度的前提下，均衡节点的单跳可达邻居数目。层次型
14、拓扑控制利用分簇机制，让一些节点作为簇头节点，由簇头节点形成一个处理并转发数据的骨干网，其他非骨干网节点可以暂时关闭通信模块，进入休眠转台以节省能量。本次设计主要研究的问题是：（1）影响整个网络的生存时间的因素；（2）减小结点间通信干扰、提高网络通信效率的方法；（3）如何弥补节点失效的影响。31.4 本文组织结构本文分为6章，第1章主要介绍了课题研究的目的、意义和国内外的发展状况；第2章是介绍无线传感器网络的体系结构、特征、关键技术和应用等相关概念；第3章介绍了无线传感器网络的拓扑控制的基本概念，并用两个算法加以举例；第4章对LEACH协议进行详细阐述，如算法的原理、特点、存在的问题以及改进方
15、法；第5章介绍在NS2平台上对LEACH算法进行仿真的步骤、过程以及对仿真过程中所得结果进行分析；第6章对全文进行总结。第2章 无线传感器网络概述2.1 无线传感器网络基本概念2.1.1 无线传感器网络体系结构传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。大量传感器节点部署在检测区域内或者附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点检测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中检测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或者卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。大量的传感器节点将探测数据，通过汇聚节点经其它网络发送给了用户。在这个定义中，传感器网络实现了数据采集、处理和传输的三种功能，而这正对
