宽带微功率网络分簇算法的研究与实现

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宽带微功率网络采用无线传输方式,主要是为用户用电信息采集系统提供更高的传输速率、更广的覆盖面积和更加稳定的网络拓扑。宽带微功率协议栈网络层主要负责组网和网络维护,目前的组网策略虽然能够加速网络拓扑稳定的时间,但未考虑代理节点约束和网络节点层级管理,将导致网络可扩展性差、端到端的平均时延高、网络拥塞概率大等问题。因此,本文通过对分簇算法的研究提出一种适用于宽带微功率网络的分簇算法,该算法分为簇形成阶段和簇树形成阶段。(1)簇形成阶段:结合宽带微功率的网络特性,通过对五种经典分布式分簇算法进行分析,针对能量感知的无线传感器网络数据收集协议(An Energy-Aware Data Gathering Protocol for Wireless Sensor Networks,EADEEG)应用于宽带微功率网络时在边界节点、节点连通等方面的问题,对节点簇头竞争和邻居非簇头节点选择入簇两个阶段进行算法改进。提出了一种基于节点能量、邻居节点的个数以及节点的链路质量指示值作为参数的算法。仿真结果表明,在同等条件下,该算法产生的簇头节点比EADEEG算法产生的簇头节点数量少且分布均匀,并保证了簇头节点的连通性。(2)簇树形成阶段:本文提出一种最短路径的数据汇集簇树算法,该算法在簇树建立阶段,使用斐波那契堆作为优先队列的方式优化Dijkstra算法,通过最短路径算法得到簇头节点到中心节点的最短路径;在簇树稳定后,通过数据汇集技术,减少节点发送发现列表报文的次数,并在簇头节点处汇集成员节点的数据,降低网络中报文的相关性。经算法性能分析,该算法能有效地降低网络中代理节点的层级、减少报文的长度并降低信道资源占用率。最后,本文在宽带微功率网络层实现分簇算法。通过对CSMA时隙分析,按照精简报文的设计原则,完成了分簇算法报文以及数据结构的设计。通过搭建宽带微功率网络实验平台进行实际验证。验证结果表明,分簇算法能够有效减少网络中簇头节点个数、降低网络节点的层级、提高业务执行效率、延长抄表轮数。
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