1、無線傳感器網絡層次型路由協議的研究導師：許凱華學生：王 婭2022/7/241目 錄無線傳感器網絡概述層次型網絡拓撲結構LEACH協議的研究與改進層次型拓撲結構生成算法多路數據融合路由算法的實現層次型WSN節點定位技術研究結論與展望2022/7/242無線傳感器網絡概述1. 發展背景2022/7/243圖1 無線網絡的分類無線傳感器網絡概述2. 體系結構2022/7/244互聯網和衛星任務管理節點用戶匯聚節點監測區域傳感器節點BAC圖2 無線傳感器網絡體系結構層次型網絡拓撲結構2022/7/245 在層次型無線傳感器網絡中，網絡通常被劃分為簇(cluster)。 簇的組成：簇首(cluster

2、 head)和簇成員(cluster member)。圖3 單層WSN拓撲結構圖簇簇首簇成員LEACH協議的研究與改進1. LEACH協議工作過程簇頭選舉簇的建立時間表的建立數據傳輸階段新一輪通信2022/7/246圖4 LEACH協議拓撲結構圖LEACH協議的研究與改進2. 問題的提出 LEACH算法研究發現，簇頭節點的個數有一個最優值N。 LEACH算法中設定N5。但是，這樣的一種設定并沒有依據。 我們將從考慮節省節點能量方面設定簇頭節點個數的最優值。2022/7/247LEACH協議的研究與改進3. 對LEACH協議的改進2022/7/248 在對無線傳感器網絡研究過程中，本文提出以下假

3、設： 無線傳感器網絡節點以密度為 的類似泊松過程分布在邊長為 正方形二維空間內，且 。其中，簇頭節點的密度為 ，其它一般節點的密度為 ；LEACH協議的研究與改進2022/7/249 無線傳感器網絡節點的總個數用 表示，節點分布的正方形二維空間的面積用 表示，則 ，其中 ； 設正方形二維空間的中心為坐標原點，則基站節點的坐標位置可以表示為 ； 運用的無線電通信模型； 簇頭節點采用TDMA方式接收簇內一般節點傳輸的數據，然后將融合后的數據傳送給基站。LEACH協議的研究與改進 根據以上假設，我們可以求出簇頭節點和基站間的平均距離為：2022/7/2410 根據能量計算公式，單位周期內整個無線傳感

4、器網絡節點傳送數據消耗的總能量為LEACH協議的研究與改進 從上式求解出最優簇頭節點概率 滿足如下關系：2022/7/2411 簇頭節點最優比例 和節點個數 、節點密度 兩個參數的對應關系如表1所示。2022/7/2412節點個數 節點密度 簇頭節點比例 5001.250.0901 10002.50.0637 15003.750.0520 200050.0450 25006.250.0403 30007.50.0368 表1 簇頭節點最優比例2022/7/2413圖5 網絡節點傳送數據消耗的總能量和簇頭節點比例關系圖仿 真 實 驗仿真結果： 由圖5可以看出，當簇頭節點的比例為求出的最優簇頭節點

5、概率 時，無線傳感器網絡傳播信號消耗的能量最小。層次型拓撲結構生成算法 本文的層次型拓撲結構生成算法是對WCA算法的改進。 WCA是為移動ad hoc網絡設計的層次拓撲生成算法。在對WCA算法的改進過程中，本文主要考慮以下三個方面的參數：(1) 節點的剩余能量(2) 實際的節點度和理想的節點度的偏差(3) 節點和鄰居節點間的平均距離2022/7/2414 考慮以上三個參數，可以計算無線傳感器網絡節點 的權值 ： 其中， 為節點的初始能量值， 、 、 分別對應為三個參數的權值，且 。 當 越小時，節點 成為簇頭節點的概率越大。 2022/7/2415層次型拓撲結構生成算法2022/7/2416層

6、次型拓撲結構的生成過程：(1) 各節點以相同的發射功率向鄰居節點發布包含自己狀態和所在位置的坐標信息。(2) 各節點監聽其鄰居節點廣播的信息，發送反饋信號。(3) 各節點統計其鄰居節點的個數，同時計算與它們的相對距離。(4) 各節點根據權值公式計算權值。(5) 各節點根據權值判斷成為簇頭節點的可能性，并根據最優簇頭數目選舉簇頭。(6) 簇頭節點確定后，以相同的發射功率向其鄰居節點廣播信息。(7) 各一般節點收到簇頭節點的信息后，加入到最近的簇內。(8) 一旦所有的節點成為簇成員，就確定了無線傳感器網絡的層次拓撲結構。2022/7/2417層次型拓撲結構的生成過程：層次型拓撲結構的生成算法流圖如

7、下：2022/7/2418. 算法初始化step1step2step3step4step5. 節點初始化 Repeat step1step2step3step4 Until層次型拓撲結構的生成算法流圖如下：. 計算節點的權值 Repeatstep1step2 step3 step4 step5 step6 step7 step8 2022/7/2419層次型拓撲結構的生成算法流圖如下：step9 step10 Until . 網絡拓撲結構的生成Whilestep1step2step32022/7/2420層次型拓撲結構的生成算法流圖如下：2022/7/2421step4step5step6st

8、ep7 從算法流程圖可以分析出，本文提出的無線傳感器網絡的層次拓撲結構生成算法的時間復雜度為 ，其中 為無線傳感器網絡的節點個數。當網絡的尺寸較小時，算法較簡單；在網絡的尺寸較大時，需要設定另外的參數，使算法變得更簡單。 多路數據融合路由算法的實現2022/7/2422相關技術： 節點采用數據融合技術來處理數據冗余方面的問題。 簇頭向簇內發送query信號，滿足事件的簇內成員向簇頭發送reply信號。簇頭根據query-reply建立的關系設置信息棧。 簇內各節點設置功率帶，保證簇內節點間的相互通信。節點采用GPS定位系統獲取自身的位置信息。多路數據融合路由算法的實現2022/7/2423A1

9、A2A3A4簇頭一般節點圖6 簇內拓撲結構創新一：簇內分區 以簇頭節點為中心，將簇內一般節點分成4個區，各節點根據其地理信息判斷所屬的區，并更新相應的標識符。 簇內拓撲結構如圖6所示。多路數據融合路由算法的實現2022/7/2424創新二：路由過程 假設簇內某區有四個發送reply信號的節點，分別用A、B、C和D表示，E代表簇頭。 簇頭E根據接收到的節點地理位置信息設置信息棧為(A, B, C, D, E)。路由過程如圖7所示。BCDAE(1)ABCDE(2)BCDAE(3)BCDAE(4)BCDAE(5)CBDAE(6)圖7 區內路由建立仿真評估(1) LEACH PEGASISOOO MD

10、A網絡尺寸W（m）無線傳感器網絡節點消耗的能量 (J) LEACH PEGASISOOO MDA網絡尺寸W（m）無線傳感器網絡節點消耗的能量 (J)(2)圖7 仿真結果圖仿真評估仿真結果一：節點使用MDA算法消耗的能量是使用LEACH協議消耗的一半，而且這種節能優勢隨著網絡尺寸的增加表現得更為明顯。仿真結果二：雖然和PEGASIS協議相比，MDA算法沒有表現出很大的優勢，但是，MDA算法比較適合運用在尺寸為300m以內的網絡范圍中。層次型WSN節點定位技術研究 利用UWB技術實現層次型無線傳感器網絡簇內一般節點相對簇頭節點的相對定位。 定位技術是基于TOA/AOA的混和定位技術。無線傳感器網絡

11、節點的天線運用的是智能天線。 粗略地計算出簇內一般節點和簇頭節點的相對位置： ，仿真評估 在仿真中，我們假設TOA和AOA測量誤差服從零均值的一維高斯分布。 根據高斯分布性質可知對應坐標的誤差服從零均值的二維高斯隨機過程。 誤差函數可以用二維正態分布函數表示為 仿真評估 假設無線傳感器網絡節點分布在邊長為 正方形二維空間內， 為網絡節點的總個數， 為簇頭節點的最優比例，本文取 文中采用36陣元均勻圓陣，其誤差范圍為-5,5度，所以 。定位誤差如下圖8所示。仿真評估圖8-1 定位誤差VS角度誤差圖8-2 定位誤差VS時間誤差由圖可以看出，當角度誤差范圍控制在-5,5度，節點坐標誤差在0.6,1之間；當時間誤差范圍控制在0,3納秒，節點坐標誤差在0.8,1之間。使用該定位技術，在一定程度下定位誤差范圍較小。結論與展望本文從事了如下研究工作：從考慮節省節點能量方面，提出對LEACH的改進，求解出最優簇頭的數目。 結合WCA算法提出了一種基于能量的無線傳感器網絡層次型拓撲結構生成算法。 在多路數據融合算法中，實現簇內分區，簇頭節點建立信息棧設置路由過程中的下一跳節點。層次型WSN節點定位是基于超寬帶UWB通信技術，實現了簇內一般節點和簇頭節點的相對定位。結論與展望