基于梯度的分簇式路由协议

链状线型WSN中基于梯度的分簇成链算法范晓辉;王延年;郑晓庆【摘要】针对链状线型无线传感器网络中多Sink特点,提出一种基于梯度的分簇成链算法CLBG(Clustering into Link Based on Gradient),节点选择距离最近的Sink传输数据,避免了远距离传输造成的节点能量消耗.成簇后,簇中节点以簇头为首成链,节点沿链发送数据给簇头,再由簇头通过簇间的多跳传输将数据发往Sink.当链路出现故障时,利用该算法可反向建立传输链路,保证数据及时传输.仿真结果表明,基于梯度的分簇成链算法,能有效节省节点能量,避免节点过早死亡,延长网络的生命周期.【期刊名称】《计算机应用与软件》【年(卷),期】2014(031)006【总页数】5页(P111-115)【关键词】链状线型无线传感器网络;梯度;分簇成链;反向传输【作者】范晓辉;王延年;郑晓庆【作者单位】郑州大学信息工程学院河南郑州450001;郑州大学信息工程学院河南郑州450001;许继集团河南许昌461000【正文语种】中文【中图分类】TP393链状线型无线传感器网络中传感器节点沿线型监控区域呈长链型分布，适用于输变电线路、油气管道、高速公路、海岸线等监测[1]。

链状线型无线传感器网络的特点：(1)数据分组传输路径单一；(2)监控区域内通常有多个基站或Sink节点且链状分布；(3)传感器节点的数据经多跳传输才能发送到基站，传输距离长；(4)节点不仅采集数据，还负责转发数据，处理的数据量大。

链状线型无线传感器网络中的拓扑控制对网络性能有重要影响，如何通过对网络的拓扑控制降低节点能耗，延长网络生命周期是链状线型无线传感器网络的研究热点[2]。

传感器网络中，分簇算法可以延长网络生命周期，如LEACH、PEGASIS、TEEN 等[3,4]。

但上述协议中，存在成簇后簇首分布和簇规模不均匀、节点生存时间差异大等问题[5] 。

为此，针对链状线型无线传感器网络，Jawhar等[6]把传感器节点分成BSN、CRN、DDN三类，提出了一种适用于链状线型无线传感器网络的框架模型，有效降低节点能耗，延长了网络的生存时间。

基于数据相关性的WSN分簇路由协议的研究的开题报告一、研究背景及意义随着物联网技术的不断发展和应用，无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）已经被广泛应用于各个领域，如环境监控、智能家居、农业、工业等。

WSN网络拓扑结构呈现分布式、自组织和动态变化的特点，需要设计出有效的路由协议以保证数据的有效传输与接收。

目前，WSN路由协议主要分为基于层次结构的路由协议和基于平面网络的路由协议。

前者的优势在于其能够提高网络的可扩展性，但是对于大规模复杂网络，运算复杂度较高。

后者则相对简单，但对于网络容易产生瓶颈，导致数据传输效率低下。

在此基础上，基于数据相关性的分簇路由协议逐渐成为WSN路由协议的新热点。

数据相关性是指相互之间有密切关联的数据，包含了一定物理意义和信息关联。

数据相关性分析在近年来的WSN路由协议设计中得到广泛应用。

通过分析WSN节点之间的数据相关性，可以将网络节点分成不同的簇，实现数据快速的传输和接收。

因此，基于数据相关性的分簇路由协议对提高WSN网络的传输效率和降低能耗具有重要意义。

本文拟研究基于数据相关性的WSN分簇路由协议，结合实际数据传输场景，设计出高效的路由协议，为WSN的应用提高效率和降低能耗提供实际解决方案。

二、研究内容及目标本文将研究基于数据相关性的WSN分簇路由协议，主要探讨以下三个方面的内容：1. 数据相关性分析：具体分析WSN节点之间的数据相关性，提高数据传输效率。

2. 路由协议设计：设计出应用于WSN网络的基于数据相关性的分簇路由协议，对数据传输进行优化和改进，提高网络能耗和传输效率。

3. 实验评估：通过实际网络环境下的实验验证与分析，评估所设计的路由协议的优劣及可靠性。

研究目标如下：1. 探讨数据相关性在WSN网络传输中的重要性和应用价值。

2. 设计出基于数据相关性的WSN分簇路由协议，并对其进行效果评估。

3. 实现设计出的基于数据相关性的分簇路由协议，以实现WSN网络的高效传输和降低能耗。

无线网络中基于分簇的路由协议研究无线网络的出现改变了人们的通信方式，这种基于无线电波传输的新型通信方式不仅节省了线路成本，更方便了人们的移动性。

随着人们日益增长的无线网络需求，网路中的设备数量不断增加，网络规模也变得越来越复杂。

这就需要采用一种高效而可靠的路由协议来保证无线网络的正常运行。

其中，基于分簇的路由协议是一种有效的路由协议。

分簇是指将网络的节点划分成若干簇，每个簇有一个簇头和若干非簇头节点构成。

簇头是指具有更强的信号和能力，通常是能够主动发出信号的节点，其它非簇头节点通过簇头节点与其他簇通信。

此种方式能够有效降低网路复杂度，减轻网络负担、优化传输效率和提高通信能力。

基于分簇的路由协议应用了分簇技术，在网络拓扑结构中建立了若干个簇，每个簇都有一个簇头节点，由这些簇头节点组成的集合负责控制整个网络的广播。

基于分簇的路由协议通常分为两种：LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）和PEGASIS（Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems）。

LEACH是一种低能耗、自适应、分簇式的路由协议。

它的核心思想是将网络节点分为许多不同的群集，并建立旋转簇的方式来选择节点作为簇头。

这种方法能够减少网络中簇头节点之间的冲突，保证网络性能的最大化，提高无线网络的能效。

PEGASIS采用的是稳定集群头选举算法，将集群头之间的数据转发模式链式化，使无线传感器网络中能量消耗大的节点只需要负责将数据从邻居节点接收，在将数据转发给集群头，从而大大节约了能量，延长了网络使用寿命。

总之，分簇技术在无线通信中有着广泛的应用前景，它可以优化与提升网络质量和性能，同时也能够提高整个无线网络的能效，延长设备使用寿命，降低了能源和时间的消耗，具有极大的应用潜力。

WSN的路由协议分类2011年11月07日14:03 来源：本站整理作者：秩名我要评论(0) 目前国内外科研人员已设计了多种面向WSN的路由协议，将其分为四类：以数据为中心的、分层次的、基于位置的、基于数据流模型和服务质量（QoS）要求的。

（1）以数据为中心的路由协议此类路由协议是基于查询和目标数据命名之上的，通过数据融合减少冗余的数据传输。

①Flooding协议和Gossiping协议：这是两个最经典和简单的传统网络路由协议，在Flooding协议中，节点产生或收到数据后向所有邻节点广播，数据包直到过期或到达目的地才停止传播。

该协议具有严重缺陷：内爆（implosiON），节点几乎同时从邻节点收到多份相同数据；交叠（overlap），节点先后收到监控同一区域的多个节点发送的几乎相同的数据；资源利用盲目（resource blindness），节点不考虑自身资源限制，在任何情况下都转发数据。

Gossiping协议是对Flooding协议的改进，节点将产生或收到的数据随机转发，避免了内爆，但增加了时延。

这两个协议不需要维护路由信息，也不需要任何算法，简单但扩展性很差。

②SPIN协议：SPIN（sensor protocols for inf°rmatlon vla negotiation）协议节点利用三种消息进行通信：数据描述ADV、数据请求REQ和数据DATA。

该协议以抽象的元数据对数据进行命名，命名方式没有统一标准。

节点产生或收到数据后，用包含元数据的ADV 消息向邻节点通告，需要数据的邻节点用REQ消息提出请求，然后将DATA消息发送到请求节点。

该协议的优点是ADV消息减轻了内爆问题；通过数据命名解决了交叠问题；节点根据自身资源和应用信息决定是否进行ADV通告，避免了资源利用盲目问题；与Flooding 协议和Gossiping协议相比，有效地节约了能量。

其缺陷是：SPIN的广播机制不能保证数据的可靠传送，当产生或收到数据的节点的所有邻节点都不需要该数据时，将导致数据不能继续转发，以致较远节点无法得到数据；而当某sink点对任何数据都需要时，其周围节点的能量容易耗尽。

新一代低功耗无线传感器网络路由协议设计与优化近年来，随着物联网技术的快速发展，低功耗无线传感器网络成为了一种新型的信息感知、数据采集、远程监控和控制等应用模式。

而这种无线传感器网络需要一个高效的路由协议，才能实现数据的快速、准确、稳定地传输。

因此，新一代低功耗无线传感器网络路由协议的设计和优化成为了当今研究的热点之一。

一、传感器网络的基本特点与要求低功耗无线传感器网络是由大量的小型节点组成的网络系统。

这些节点具有自主能源供应、自主感知和数据处理的能力，并通过无线通信技术实现相互之间的信息传输和共享。

因此，低功耗无线传感器网络具有天然的分布式、可扩展性和自组织特点。

但是，受到功耗、通信、计算和存储等方面的限制，传感器网络也存在一些技术难点和技术要求。

首先，传感器网络的节点需要具有低功耗、小型化、易于部署和安装等特点。

这要求路由协议要具有高效的能量管理和低功耗的通信机制，以延长网络的生命周期和提高系统的可靠性。

其次，传感器网络需要具备快速、准确、稳定地传输和处理数据的能力，以满足实时监控、数据采集和信息共享等应用需求。

这要求路由协议要具有良好的传输延迟、吞吐量和可靠性等性能指标，以保证数据传输的质量和效率。

最后，传感器网络还需要具备自组织和自适应的能力，以适应不同环境和应用场景的需求。

这要求路由协议要具有动态配置、自愈和优化等特性，以提高网络的稳定性和鲁棒性。

二、传感器网络路由协议的分类与特点传感器网络路由协议是指控制节点之间数据传输和路由的方式和规则。

根据路由协议的不同特点和功能，可以将其分为以下几类。

1.扁平式路由协议扁平式路由协议是一种简单、直接和易于实现的路由协议。

它将节点视为等级平等的节点，无需构建路由层次和拓扑结构，只需要在节点之间建立直接的连接，完成数据传输和处理。

这种路由协议具有低复杂性、低延迟和低劣化等优点，尤其适用于小规模、低密度和需求简单的传感器网络。

2.分层式路由协议分层式路由协议是一种基于层次拓扑结构的路由协议。

Adhoc分簇算法与基于簇结构路由协议的研究的开题报告一、选题背景与意义随着无线传感器网络技术的不断发展，无线传感器网络已经被广泛应用于各种领域，例如环境监测、智能交通、军事安全等。

无线传感器网络的特点在于节点分布广泛、自组织、自适应、低功耗等，由此带来了一些挑战性的问题。

其中，数据传输是无线传感器网络中最基本的功能之一，因此如何建立高效可靠的数据传输路由是无线传感器网络中的重要问题。

目前，已有许多无线传感器网络路由协议被提出，其中基于簇结构的路由协议是其中一类十分流行的协议。

它将网络节点划分为若干个簇，每个簇有一个簇首，簇首负责向汇聚节点转发数据信息。

同时，为了延长传感器网络的寿命，簇首作为一个重要节点需要省电，并且需要及时检测网络中出现的故障节点。

因此，基于簇结构的路由协议需要解决簇首的选举、簇首的失效检测以及簇间路由的问题。

无线传感器网络中，如何高效的分簇也是一个重要的问题。

分簇可以有效降低节点之间的通信负载，增加网络的可伸缩性，提高网络的能源效率。

因此，研究如何高效地分簇是无线传感器网络中一个重要的课题。

本文提出了使用Adhoc分簇算法和基于簇结构的路由协议相结合的方法。

Adhoc分簇算法是一种自适应的无线传感器网络分簇算法，它可以根据网络节点的属性自动调整分簇的数量，从而有效的降低网络中的通信负载，并提高网络的能源效率。

同时，在该算法的基础上，我们还提出了一种基于簇结构的路由协议，用于解决簇间通信的问题。

该协议可以动态的选择最佳的簇首节点，提高网络的数据传输效率，同时，还可以实时监控簇首的状态，避免因簇首失效而导致的路由出现问题。

二、研究目标及内容1. 研究无线传感器网络分簇算法的现状；2. 研究Adhoc分簇算法的原理和特点；3. 分析Adhoc分簇算法的优点与不足；4. 基于Adhoc分簇算法，提出一种基于簇结构的路由协议；5. 设计实验验证Adhoc分簇算法和基于簇结构的路由协议的性能。

分簇的路由协议分簇的路由协议概述分簇的路由协议是一种用于无线传感器网络中的路由协议。

它将传感器节点组织成簇，每个簇有一个簇头节点，负责收集和汇聚其它节点的数据，并将数据传输到基站。

该协议具有低能耗、低延迟、高可靠性等优点，被广泛应用于无线传感器网络中。

协议流程1. 网络初始化阶段在网络初始化阶段，所有节点都处于待机状态。

当一个节点被激活时，它会发送一个广播消息来发现其它节点，并建立自己的邻居表。

同时，它也会接收到其它节点发送的广播消息，并更新自己的邻居表。

2. 簇头选举阶段在簇头选举阶段，每个节点会根据一定规则选择自己所属的簇，并选出一个合适的簇头。

通常情况下，每个节点都会选择离自己最近的簇头作为自己所属的簇，并将数据发送给该簇头。

而对于每个簇来说，则需要选出一个能够满足要求并具有较高能力的节点作为簇头。

3. 数据传输阶段在数据传输阶段，每个节点会将自己收集到的数据发送给其所属的簇头。

簇头会汇聚所有来自其它节点的数据，并将其发送到基站。

同时，簇头还需要负责维护簇内节点之间的通信，以保证数据能够顺利传输。

协议优化1. 能量均衡在无线传感器网络中，能源是非常宝贵的资源。

因此，在分簇的路由协议中，需要考虑如何实现能量均衡。

一种常见的方法是让每个节点轮流担任簇头，以避免某些节点过度消耗能量。

2. 路径优化在分簇的路由协议中，路径优化也是一个非常重要的问题。

为了减少延迟和提高可靠性，需要选择最优路径来进行数据传输。

这可以通过动态调整网络拓扑结构来实现。

3. 安全性保障在无线传感器网络中，安全性也是非常重要的问题。

为了保障网络安全，需要采取一系列措施来防范各种攻击和威胁。

例如，在分簇的路由协议中，可以采用加密技术来保护数据的安全性。

总结分簇的路由协议是一种非常实用的无线传感器网络路由协议。

它将节点组织成簇，并通过簇头节点来进行数据传输和汇聚，具有低能耗、低延迟、高可靠性等优点。

在实际应用中，还需要考虑能量均衡、路径优化和安全性保障等问题，以提高协议的性能和可靠性。

第一章绪论1.1 课题背景无线Ad Hoc网络指完全由无线移动节点构建的网络，无需任何预先架设的固定设施。

网络中各节点的地位平等，无中心控制机制。

Ad Hoc网络采用无线传输技术，节点的发送功率受到限制，一个节点发送的信息，只有一跳范围内的节点可以听到，在此范围之外的节点接收不到。

因此所有的节点都具有路由转发的功能，较远距离节点间的通信需要多跳节点的转发才能完成。

基于以上几个方面，Ad Hoc网络又称为自组织网络（Self-Organized Network）、无固定设施网络(Infrastructureless Network)或多跳无线网（Multi-Hop Wireless Network）。

由于Ad Hoc网络具有无需固定设施易于快速动态构建、节点对等易于扩展、自组织性好、抗毁性强等特点，在民用及通信领域均有较为广泛的应用。

对于Ad Hoc网络，当前的研究很多，主要集中在信道接入技术、网络体系结构、路由协议、服务质量保证、安全问题、能耗节省机制等诸多方面。

其中，信道接入技术是Ad Hoc网络协议的基础，控制着节点如何接入无线信道。

对于它的研究重点在于解决多跳共享的多点信道存在的特殊问题，提高网络的性能。

对于网络体系结构的研究，集中于平面式与层次式（或称“分簇式”）。

平面式的研究侧重于协议栈的设计，分簇式结构的研究则关注分簇机制和分簇算法。

路由协议是多跳网络通信必不可少的重要部分。

根据发现路由的驱动模式不同，可分为表驱动路由协议（Table Driven Protocols）和按需路由协议（Source-Initiated On-Demand Protocols）。

根据不同的网络体系结构，又分为平面结构的路由协议（Flat Protocols）和分簇路由协议（Clustered Protocols）。

现有的研究多集中于以上协议的开发。

对服务质量保证的研究关注于网络的不同层次均要提供相应的机制。

无线传感器网络分簇路由协议研究无线传感器网络是由大量分布在被监测区域内的传感器节点组成的网络，可用于环境监测、农业监测、灾害预警等领域。

在无线传感器网络中，节点之间通信需要消耗能量，而传感器节点通常由于能量受限而难以进行充电或更换电池，因此能耗优化是无线传感器网络设计中的重要问题之一。

为了降低能耗、延长网络寿命，研究无线传感器网络中的分簇路由协议是一个重要的研究方向。

分簇路由协议是指将网络中的节点划分为若干个簇，每个簇内选取一个节点作为簇头，其他节点则作为簇成员。

簇头负责与基站进行通信，而簇成员则通过与簇头的通信来与整个网络连接。

通过分簇路由协议，可以降低网络中节点之间的通信次数，减少能耗，延长网络寿命。

目前，已经有许多分簇路由协议被提出并得到了广泛的研究和应用。

本文将从层次式、能量均衡、数据传输等角度对几种常见的分簇路由协议进行研究和分析。

一、层次式分簇路由协议层次式分簇路由协议是将网络中的节点分为不同的层次，每个层次内再进行簇内的划分，通过这种方式可以有效地减少节点之间的通信次数，从而减少能耗。

典型的层次式分簇路由协议包括LEACH（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy）和TEEN（Threshold Sensitive Energy Efficient Sensor Network Protocol）。

LEACH协议是一种经典的分簇路由协议，它通过随机选举的方式选择簇头，从而实现了能量的均衡，并采用轮询的方式进行簇头的选择，避免了某些节点长时间成为簇头导致能量消耗不均衡的问题。

LEACH协议的缺点是，簇头的选择是随机的，可能会导致一些簇头选举失败或者能耗不均衡的问题。

TEEN协议则是一种基于阈值的分簇路由协议，它通过设置阈值来判断节点是否需要发送数据，从而避免了大量的无效数据传输，降低了能耗。

TEEN协议的缺点是，由于阈值的设置需要考虑到网络中节点的能量情况，因此对于网络能量均衡的处理较为复杂。

基于集群算法的分层路由协议研究在现代计算机网络中，路由协议是最为重要的组件之一。

它负责控制网络中的数据流向，实现数据在不同节点之间转发和交换。

随着网络规模的不断扩大和复杂性的增加，一些传统的路由算法逐渐失去了优势，在性能和可靠性方面出现了许多问题。

因此，在对路由协议进行研究的过程中，我们需要考虑如何利用最新的技术手段来提升路由算法的效率和性能。

其中，基于集群算法的分层路由协议是一种较为优秀的解决方案。

这种路由协议通过将网络划分为不同的子网，然后在每个子网内部采用集群算法进行路由选择，最后通过跨子网的路由协议进行数据的交换。

在这种算法中，集群算法被用作子网内部的路由选择算法，因此它可以充分利用分布式计算和大规模数据处理的优势，提高路由协议的效率和性能。

分层路由协议的实现主要包括三个部分：子网划分、集群算法和跨子网路由协议。

在子网划分中，我们需要将整个网络划分为不同的子网，同时根据节点的位置和链路质量进行合理的划分。

在集群算法中，我们需要选择一种适合子网的算法，同时考虑节点的计算能力和通信带宽的限制。

最后，在跨子网路由协议中，我们需要为不同的子网之间建立连接，并确保数据的稳定转发。

在具体实现中，集群算法可以采用多种形式，包括遗传算法、模拟退火算法、蚁群算法等等。

这些算法都具有一些特定的优点和缺点，在不同的应用场景中可以选择不同的算法。

但无论采用何种算法，在实际实现时都需要注意以下几点：1. 路由表管理：确保每个节点具有自己的路由表，并能够及时更新和维护。

2. 数据包传输：保证数据包在整个网络中能够正常传输，并考虑流量控制和拥塞控制问题。

3. 节点选举：在集群算法中，需要选择若干个节点作为聚类中心，负责路由选择和数据交换。

4. 路由优化：在跨子网路由协议中，需要建立合理的优化模型，以便更好地控制路由选路和数据中转的过程。

总的来说，分层路由协议是一种高效和可靠的路由算法，它适用于大规模的复杂网络，并可以很好地解决传统路由算法的缺陷。

基于梯度转播的井下WSNs分簇路由协议李贤慧;李晓波;季胜鹏;林瑶;何阳;赵作鹏【摘要】A gradient-based broadcast clustering routing protocol for underground(G-LEACH)is proposed based on the demand of wireless sensor network mining safety monitoring for data transmission reliability and energy balance. By analyzing the environmental characteristics of the coal mine, a deployment model is established based on mine laneway space. Mobile sensor nodes are added in the network, on this basis to realize the gradient-based broadcast clustering routing algorithm. In this algorithm, the candidate mechanism is introduced. And it selects cluster heads through the residual energy and coverage factor and considers the gradient to choose the key nodes using a hybrid routing forwarding model. The simulation results show that G-LEACH is better in data transmission reliability and energy balance, which is suitable for the underground safety data monitoring.%针对无线传感器网络煤矿安全监测系统对数据传输可靠性和能量均衡性的需求,提出了一种适用于煤矿井下的基于梯度转播的井下分簇路由协议(G-LEACH).通过分析煤矿井下特殊的环境特点,针对井下巷道空间特点提出了相应的网络节点部署模型,同时在网络中部署了移动的传感器节点,在此基础上实现了基于梯度转播的可靠分簇路由算法.该算法引入候选簇首机制,通过感知节点的剩余能量、转播因子以及距离因素进行分簇,采用混合路由转发模型并结合梯度信息来决定关键节点.仿真结果表明,G-LEACH具有更高的均衡性和可靠性,更适用于井下复杂环境中安全数据的监测.【期刊名称】《计算机工程与应用》【年(卷),期】2017(000)015【总页数】6页(P122-126,249)【关键词】无线传感器网络;基于梯度转播的井下分簇路由协议(G-LEACH);部署模型;梯度;转播因子【作者】李贤慧;李晓波;季胜鹏;林瑶;何阳;赵作鹏【作者单位】南瑞集团公司(国网电力科学研究院),南京 210000;江苏瑞中数据股份有限公司,南京 210000;南瑞集团公司(国网电力科学研究院),南京 210000;江苏瑞中数据股份有限公司,南京 210000;南瑞集团公司(国网电力科学研究院),南京210000;江苏瑞中数据股份有限公司,南京 210000;南瑞集团公司(国网电力科学研究院),南京 210000;江苏瑞中数据股份有限公司,南京 210000;南瑞集团公司(国网电力科学研究院),南京 210000;江苏瑞中数据股份有限公司,南京 210000;中国矿业大学计算机科学与技术学院,江苏徐州 221116【正文语种】中文【中图分类】TP393无线传感器网络（WSNs）作为新兴技术之一，对社会生活具有极大的影响，近年来在世界范围内备受关注[1]，WSNs在环境监测、军事侦察、海洋监测等领域具有广泛应用[2-3]。

WSN中基于图论和梯度的分簇式路由研究的开题报告尊敬的评委老师、各位专家：我题目的研究内容是《WSN中基于图论和梯度的分簇式路由研究》。

随着无线传感器网络（WSN）的广泛应用和普及，其路由方案的研究也越来越重要。

传感器网络是由许多互不相同、可自组织的节点组成的，这些节点能够通过无线信道进行通信，具有低成本、低功耗、流量自适应、自组织等特点，因此在各种领域中被广泛应用，例如军事监测、环境监测、医疗健康等领域。

然而，传感器节点内存和能源等资源受限，这给路由协议的设计和实现带来了很大的挑战。

为了克服这些挑战，研究者提出了许多不同的路由协议，而分簇式路由协议是其中的一种。

分簇式路由协议采用了一种分簇的技术来延长网络的生命周期，即将传感器节点归类为簇头和簇成员，通过簇头之间的通信来传递数据。

为了提高传输效率和避免对网络资源的浪费，需要设计一种合理的分簇方式。

近年来，研究人员提出了基于图论和梯度的分簇式路由算法。

该算法利用了图论中的概念来描述网络拓扑结构，并根据节点间的距离和漏洞密度等指标，将节点划分成不同的簇。

同时，为了防止单一簇头负载过重的问题，研究人员还提出了梯度的概念，即将负载较重的节点向其他簇头转移，从而平衡网络的负载。

本文的主要研究内容是结合实际网络拓扑和节点密度，分析基于图论和梯度的分簇式路由算法的优缺点，针对算法中的问题和不足，提出一种改进的算法，通过仿真实验来评估改进算法的性能表现，并与现有算法进行对比分析。

本文研究的意义在于提供一种更加简便高效的路由协议方案，为WSN的实际应用提供技术支持。

最后，我将努力完成本研究，望各位评委老师给予宝贵的意见和建议，谢谢！。

⼀种基于位置和分簇⽆线传感器⽹络实时路由协议⼀种基于位置和分簇的⽆线传感器⽹络实时路由协议摘要：针对信息-物理融合系统等⽆线传感器⽹络应⽤中对服务质量的要求，尤其是在实时、能耗等⽅⾯，提出了⼀种基于地理位置信息和分簇技术相结合的实时路由协议。

该协议利⽤节点位置信息确定簇的⼤⼩并实现⽹络的均匀划分，采⽤基于锚节点、质⼼和剩余能量相结合的混合簇头选举⽅法实现能量均衡，同时，在簇间数据包转发中采⽤动态路由机制，调整包的端到端的传输速率，以满⾜实时性要求。

仿真结果表明该协议不仅能够有效地平衡⽹络能耗，延长⽹络的⽣命周期，⽽且具有较好的实时性。

关键词：位置；分簇；⽆线传感器⽹络；实时路由中图分类号:TP393 ⽂献标识码:A ⽂章编号:A Real-time Routing Protocol Based on Location and Cluster for WirelessSensor NetworksAbstract: To meet the QoS requirements in the applications of Wireless sensor networks, especially in real-time and energy, a real-time routing protocol is proposed, in which localization and clustering is integrated. The cluster is determined by using location information of nodes. Cluster head is elected by utilizing a hybrid method based on the anchor nodes, barycenter and residual energy, so as to balance the energy consumption overall the network. In addition, a dynamic routing mechanism is applied to dynamically adjust the transmission rate of data packets, in order to meet the real-time QoS. Simulation results show that the proposed protocol can not only effectively balance the energy consumption to extend the network lifetime but also lower the delay to meet some real-time requirements.Keywords: Location; clustering; wireless sensor networks; real-time routing1引⾔随着通信技术、嵌⼊式计算技术和传感器技术的飞速发展和⽇益成熟，⼈们研制出了各种具有感知能⼒、计算能⼒和通信能⼒的微型传感器。

基于梯度与数据流机制的WSN分簇路由协议沈海燕;廖惜春;刘玉锟【摘要】针对无线传感器网络的能量受限和网络寿命有限的问题,结合梯度和数据流机制,对经典的LEACH分簇路由协议中簇头的选举及簇内通信方式进行了改进.Matlab的仿真结果表明,改进后的基于梯度与数据流机制的分簇路由协议与LEACH协议相比,能更为有效地节约节点能量,使网络寿命延长约50％～65％.【期刊名称】《五邑大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(027)001【总页数】5页(P64-68)【关键词】无线传感器网络;分簇路由;LEACH协议;梯度;数据流机制【作者】沈海燕;廖惜春;刘玉锟【作者单位】五邑大学信息工程学院,广东江门 529020;五邑大学信息工程学院,广东江门 529020;五邑大学信息工程学院,广东江门 529020【正文语种】中文【中图分类】TP393无线传感器网络（wireless sensor network，WSN）是由大量部署在监测区域内的传感器节点组成的，部署的节点通过采集网络覆盖区域内对象的信息，采用多跳的无线通信方式，将节点收集、处理后的信息提供给目标用户. 路由协议是在路由指导IP数据包发送过程中事先约定好的规定和标准，WSN的路由协议在网络数据的传输过程中起着举足轻重的作用. 由于WSN中的能耗问题影响到整个网络的寿命，因此，低功耗高性能的路由协议一直是研究的热点[1-4]. 目前，针对WSN 中的路由机制，国内外的学者己经作了大量的分析和研究，对节点分簇是无线传感器网络中节约能源的一种有效方案，其中LEACH（low-energy adaptive clustering hierarchy）[5]3006是最早的WSN分簇路由协议. 本文研究并改进LEACH协议，针对传感器网络节点能量异构的情况设计更适合于传感器网络特点的分簇路由协议——基于梯度与数据流机制的分簇路由协议.LEACH的基本思想是通过等概率的随机循环选择簇头，使得整个网络的能耗尽可能地平均分配到每个传感器节点，从而达到降低网络能量耗费、延长网络生命周期的目的[5]3005.LEACH在运行过程中不断地周期性循环执行簇的重构. 算法操作使用“轮”的概念. 每一轮由初始化和稳定的工作两个阶段组成. 初始化阶段，每个节点产生介于0与1之间的一个随机数，若节点产生的这个随机数小于阈值T(n)，则该节点向周围节点广播它成为簇头节点的消息. T(n)的计算公式为：其中，p是簇头占所有节点的百分比，即节点当选簇头的概率；r是目前循环已进行的轮数；G是最近1/p轮中还未当选过簇头的剩余节点的集合. 从式（1）可以看出，当选过簇头的节点在接下来的1/p轮循环中将不能成为簇头，剩余节点当选簇头的阈值T(n)增大，节点产生小于T(n)的随机数的概率随之增大，所以节点当选簇头的概率增大[5]3012,[6].非簇头节点根据接收到各个簇头节点的信号强弱来选择加入到哪个簇，并发出信息通知相应的簇头节点. 当网络进入稳定阶段后，簇内的节点通过TDMA方式与簇头节点进行通信[7]，簇头接收簇内其他节点发送的数据，将这些数据进行融合后发送给汇聚节点，在汇聚节点再次进行数据融合后发送给基站. 其中，数据融合技术是指对有用信息的采集、传输及在一定准则下加以自动分析、综合，以辅助人们进行态势和环境判定、分析的一种信息处理方法. 信息源经由路由协议传输到簇头节点和汇聚节点，在簇头节点及汇聚节点再进行数据融合，这样既定义了信息的传输标准，又简化了需要传输的数据量.LEACH算法是基于这样的假设的：所有传感器节点都可以直接和汇聚节点通信. 但是在实际的应用中，当网络的规模较大时，每个传感器节点都可以直接与汇聚节点通信的概率很小. 由于LEACH算法采用产生随机数与T(n)比较来产生簇头，这样有可能出现簇头非均匀分布[7-8]，如图1所示. 其中，“☆”代表普通节点，“○”代表簇头节点. 可见，LEACH算法不能保证簇头在网络中的均匀性分布. 当簇头节点分布不够均匀时，簇内通信就不能满足自由空间(free space)模型，这将导致较大的能耗.针对LEACH协议存在的问题，本课题研究的目的是让簇头节点尽可能均匀分布，并使每个簇的大小相近，使簇头与汇聚节点的通信距离趋于平衡，进而减少通信开销. 梯度路由与数据流机制结合的分簇路由算法将能有效地解决此问题. 该算法的主要思路是：在簇头的产生和簇内数据传输方面分别运用梯度路由机制和数据流机制作了改进，其余部分与LEACH协议基本一致. 基于梯度的路由机制[9]的原理是在能量模型基础上建立路由梯度，沿梯度变化最快的方向传输数据，减小通信开销. 数据流机制的基本思路是当某节点有数据流通过时，新的数据不再通过该节点，以减少网络延迟和节点能量消耗的不平衡，延长网络寿命[10-13].本文与文献[14]使用了同样的无线通信模型. 该通信模型给出了一个阈值，该值取决于网络的使用环境，当收发节点之间的距离小于时，发送方发送数据的能耗与收发节点之间的距离平方成正比——自由空间模型，否则与收发节点之间的距离的四次方成正比——多径衰落模型（multipath fading）. 因此，根据收发节点之间的距离，发送节点可以采用不同的能耗模型计算发送数据所需要的能量. 例如，当节点向距离外的另一节点发送字节的数据时，可以使用公式（2）来计算其能量消耗：而接收节点接收发送的消息，其接收装置产生的能耗为：其中，表示无线收发电路的能耗，表示放大器消耗的能量，其大小取决于收发节点间的距离以及可接受的位错误率. 此外，目前大部分的路由协议和算法都采用了数据聚合技术来减少传送的数据量，从而达到节省能量的目的[14-15].本文对LEACH的改进和设计的步骤如下：Step1：建立梯度和邻居表（梯度机制）1）设汇聚节点的梯度，其余节点的梯度初始化为，所有节点的邻居表即NT(ni)初始化为空，从汇聚节点开始向邻居节点广播自己的梯度值；2）当节点i收到节点j广播梯度的消息时，则节点i检查自身的邻居表中是否已经有了节点j的信息，若没有，则将节点j加入到节点i的邻居表NT(ni)，邻居表也同时保存邻居节点的梯度信息. 若已经有了节点j的信息，则更新节点j的梯度. 3）如果广播帧中的，则设置自己的梯度为，否则丢弃该数据包.4）当节点自身梯度G发生改变后，向邻居节点广播自身梯度.Step2：簇头选举与LEACH类似，也是采用“轮”的概念. 所有的梯度满足的节点成为候选簇头节点，其中r是当前的轮数. 候选节点向邻居节点广播自己成为候选节点的信息. 当一个候选节点收到另外一个候选节点的广播信息后，比较两个候选节点的剩余能量，剩余能量小的节点放弃选举资格，成为普通节点，某个节点本轮剩余能量的计算公式为：其中，代表第r轮中，该节点的剩余能量，代表第r轮该节点的初始能量，分别与式（2）、（3）中的参数一致. 由此可知，当第r轮循环结束时，. 此过程持续循环进行，直到所有的候选节点成为簇头节点或普通节点.Step3：簇的形成非簇头节点依据簇头节点的可选择性值choice的大小来决定加入哪个簇，令. 其中，、为比例因子, 即为通信模型中的参数，通常取2或者4，即式（2）中取平方或四次方，是由通信模型中的收发节点间的距离与之间的大小决定的. 为自定义的数值，目的是平衡与所占的比例，、之比即为簇头能量与簇的大小对节点加入簇的影响因子之比. 一般可以取. 为剩余簇头的能量，为当前簇已有簇成员数，为最大簇成员数，是由网络中节点数目和簇的大小决定的. 可见，如果簇头剩余能量越大，则越大，choice越大，节点加入该簇的可能性就越大；若该簇成员越少，则越小，越大，choice越大，节点加入该簇的可能性越大. 故choice值可以平衡簇头的能量及簇的大小对节点加入簇的影响.Step4：簇内通信（数据流机制）每个簇头节点产生一个TDMA时隙表，簇成员只在自己的时隙内发送数据，其余时间进入休眠状态以节约能源. 簇头节点整合簇内数据后，从它的邻居表NT中选择梯度值小于簇头节点的梯度，并从当前处于空闲状态（数据流机制）的节点中选择剩余能量最大的节点作为转发节点. 可见，节点梯度越大，数据经过它传送的几率就越小. 当中间节点的梯度为1时，则直接传递给汇聚节点，完成数据的传输. 本文利用Matlab仿真软件，设定侦测范围为200 m×200 m的正方形区域，设置200个节点，sink节点坐标（100，250）；图2所示为仿真区域节点分布图. 节点初始能量，，；数据融合能耗为，，数据包长度为4 000 bit. 分别对LEACH 协议及本文所改进的协议进行了仿真，图3为一次仿真中LEACH与改进算法的存活节点数与簇头数目的对比图.图3结果表明：在第176轮的时候，LEACH协议中出现第一个死亡节点，在1 378轮的时候，LEACH协议中所有节点死亡；而改进后的协议中，出现第一个节点死亡是在211轮，直到2 286轮节点才全部死亡. 由于每次实验节点散布的随机性，经过多次仿真结果表明，LEACH算法基本都是在160轮左右出现第一个节点死亡，在第1 300轮左右现有节点全部死亡；采用本文改进的协议时，第一个节点死亡出现的时间是在220轮左右，全部节点死亡的时间大约出现在第2300轮. 因此，对于正方形检测区域，本文基于梯度与数据流机制的分簇路由协议，与原LEACH协议比较，网络寿命延长了约66%. 当汇聚节点位于检测区域内的其他位置时，仿真实验也表明本协议与原LEACH协议相比网络寿命能延长寿命60%以上. 另外对不同形状侦测区域的仿真结果表明，WSN的拓扑结构变化对本协议的有效性影响很小，并且网络寿命延长均可达到50 %以上. 可见，改进后的协议明显节约能耗，这对于能量有限的WSN来说，是十分重要的.本文通过对经典LEACH分簇路由协议的分析，用梯度和数据流机制改善其簇头分布不均、能耗大的缺点，仿真结果显示，本文对LEACH改进后的算法在节约能耗方面有较为显著的优势，使网络寿命得到延长. 梯度算法对大多分簇的路由协议都会有改进. 现有较为成熟的路由协议中，有梯度算法的应用，但是还没有将梯度与数据流机制结合起来并应用于LEACH路由协议的先例，这也是本文的创新点. 本文的仿真实验是在分布于4000面积区域的200个节点下进行的，但是当节点分布较密集、通信距离较小时，改进后的协议在延长寿命方面表现不明显. 另外本文没有做梯度的修复策略，没考虑到有坏死节点出现时对其余节点梯度的影响，这也是尚需研究的一个方向.【相关文献】[1]AKYILDIZ I F, SU W, SANKARASUBRAMANIAM Y, et al. 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一种基于分簇与分层相结合的无线传感器路由协议梁川【期刊名称】《电脑知识与技术》【年(卷),期】2013(000)035【摘要】With the development of modern technology and the era of progress, the development of networking technology has been greatly improved. Modern network technologies exist for multiple routing protocols, but due to various environmental and technical factors, so that ordinary routing protocol does not meet the modern development of network technology. Therefore, during the process of routing protocols for wireless sensor needs to come up with new ideas and concepts to develop a rational, scientific approach to adapt to modern network technology. This paper focuses on hierarchical clustering and common way to deal with a combination of routing protocols for wireless sensor problems and problems in this manner are discussed, based on de-ficiencies reasonable suggestions to improve the routing protocol for wireless sensor technology development, and contribute to the development of modern networks and progress.%随着现代科技的发展和时代的不断进步，物联网技术的发展有了很大提高。