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近年来随着微电子技术、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展,孕育出了具有低功耗、低成本、分布式和自组织等特点的无线传感器网络,带来了信息感知的一场变革。无线传感器网络的路由设计和传统的无线Ad-hoc网络有着很多不同,它的研究已经成为无线传感器网络研究的热点。此外,正是由于无线传感器网络存在着与传统无线通讯网络相异的设计目标和网络环境,目前无线传感器网络路由协议的研究重点主要是放在如何提高能量效率上而不是无线通讯的服务质量(QoS)上,因此如何设计出高效节能而又可靠的路由协议成为无线传感器网络路由协议研究的关键点。
本论文的主要研究对象是无线传感器网络的路由协议设计,目前关于此领域的研究已经提出了不少的算法和相关协议。这些协议彼此之间存在一定的联系,也各有其优势。本文将研究重点放在了基于分簇的路由协议上,在路由协议中利用分簇技术可以提高无线传感器网络的可扩展性,其本地联合工作的模式也在一定程度上减少了数据传递过程中的冗余信息和能量损耗。为了能更好的完成簇的划分以及优化簇首的选取,进一步均衡网络中节点的能量负载,本文还提出了一种新的基于蒙特卡罗的定位算法,节点利用从定位中所获得的位置信息,能够更好的在协议中实现优化路由的建立,达到平衡节点的能量损耗进而延长网络生命时间的目的。此外,在本文所提出的分簇路由协议中均引入了簇间多跳和簇内重建模式,其目的是为了进一步的节省能量和提高协议的可靠性。
本文首先系统阐述了无线传感器网络的结构特点及应用前景,论述了无线传感器网络目前研究的重点及热点问题。然后对无线传感器网络现有的路由协议做了深入的研究,并重点分析了LEACH等分簇路由协议的原理及特点,提出了眼下无线传感器网络路由协议研究所面临的困难与挑战。最后,在学习和总结前人研究成果的基础上,本文提出了两种适用于无线传感器网络的分簇路由协议。第一种协议利用节点获得的位置和能量信息,运用权值方式来进行簇头的选取进而完成簇结构的建立；第二种协议首先运用定位所获得的位置信息来完成簇的划分,之后才由节点在本地簇内依照权值的方式来竞争簇首任务。经实验结果证明,这两种协议都能够很好的平衡网络中所有簇的负载,并选取足够优化的节点来担任簇首,达到节省能量和提高效率的目的。最后对本课题作了总结和进一步工作的展望。