地理信息环境研究论文提纲

论文题目：地理环境信息监测中的能量有效无线传感器网络路由算法研究

摘要：近年来随着数字地球、数字中国、数字城市、数字校园这些概念的新起，地理环境信息在人类生产生活中的作用越来越重要，被广泛的应用于灾害预警、环境检测、智能交通、基础设施管理、突发事件处理等领域[1]。地理环境信息和时间密切相关，需要及时的采集和更新，还可以从同一区域不同时间段内采集到的数据和信息中寻找出分布规律，作出相应的预测和预报。在采集地理环境信息时，要考虑保护生态环境、尽量减少对原生环境的影响，采集的数据数量大、种类多、具有连续性和实时性，而且建立地理环境信息监测系统还有低成本、方便快捷、无人值守等要求。无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是多学科知识与技术交叉融合形成的一种分布式智能网络系统，可对人们感兴趣的区域或目标进行智能化的监测和数据采集，它具备部署快捷、使用灵活、成本低，无人值守，且对监测区域不会造成过多的影响的特点[2]，这些特点符合我们对地理环境信息监测的需求，所以选择WSN进行地理环境信息监测是非常理想的。 在无线传感网络中，传感器节点受到自身能量供应、带宽资源和部署方式等条件的限制，在网络的设计和管理有着不少的困难和挑战，在各种困难和挑战中，网络生存时间是非常突出的问题，由于网络中传感器节点由自身携带的电量有限的电池供电，一旦电池电量耗尽，网络就失效，因此高效利用有限能量，在维持网络性能的情况下尽可能的延长网络生存时间成了无线传感器网络中需要重点研究的问题之一。本文以延长网络生存时间为目的，从节约与均衡能耗的角度出发，对无线传感器路由进行深入的分析与探讨，希望通过相关的研究提供一种解决这个问题的途径和参考方案。 路由协议是无线传感器网络的关键技术之一，也是无线传感网络节能研究领域里一个重要研究方向，路由协议在关注每个节点节能的同时还应该关注整个网络各节点能耗的均衡，这样可以有效的延长网络的生命周期。 在研究过程中，本文首先对无线传感网络的特点及将之应用于地理环境信息采集的优势进行了研究与总结，然后对无线传感器网络的发展、研究现状和应用情况进行充分的调研与总结；其次对网络节点耗能原因和节能策略做了分析与研究；随后从无线传感器网络的协议栈架构出发，分析和总结了网络各个协议层的耗能原因、节能关键技术及跨层次路由设计的优点和现状；最后对不同的路由协议进行了分析、研究和比较，对分簇路由中的LEACH协议及多种LEACH的改进协议的原理及不足之处做了详细的分析与研究，并在此基础上提出了优化设计，有效的提高了路由的性能。 本文针对LEACH协议中组簇过程使用加入最近簇头的方式造成的分簇不均匀的缺点，提出了简单有效的成簇策略；对LEACH协议中簇头选择的随机性和不考虑剩余能量的缺点也提出了簇头选举的改进策略；同时针对LEACH协议中簇头使用单跳方式与基站进行通信的缺点，建立了一种簇间混合多跳路由模型（MMHBC）；最后根据分簇路由的一般设计过程，提出了一种基于非均匀分簇半径的双簇头混合多跳路由（NRDMMH）模型，对分簇过程中的簇头选举策略、分簇组簇策略、簇间路由选择及建立策略做了详细的设计；通过仿真验证，实验证明该模型能有效的节约节点能量、均衡网络能耗及延长网络生命期，具有十分重要的科学意义和应用价值。 本文的主要贡献和创新如下： （1）提出了一种节点均匀分布状态下的均衡分配成簇策略（UDEM）。通过对分簇协议和经典成簇策略的研究与分析，提出了一种均衡分配成簇策略，研究与实验表明该成簇策略在节点均匀分布的状态下，能很好的保证分簇的均衡性； （2）提出了一种节点非均匀分布状态下的均衡分配成簇策略（UUDEM）。通过对分簇协议和经典成簇策略的研究与分析，提出了一种均衡分配成簇策略，研究与实验表明该模型在节点非均匀分布状态下，能很好的保障分簇的均衡性； （3）提出了一种簇间混合多跳路由模型（MMHBC）。通过对LEACH协议的研究与分析，针对LEACH协议中簇头与基站直接使用单跳方式通信而使距离基站较远的簇头节点能量过早耗尽的缺点进行改进，提出了一种簇间混合多跳路由模型，通过选择性进行单跳或多跳传输方式来均衡网络能耗。通过仿真实验分析，与LEACH的改进协议EEUC协议进行比较，该设计比EEUC来说，每轮平均能降低网络能耗18%、延长网络生命期近15%； （4）提出了一种基于非均匀分簇半径的双簇头混合多跳路由模型（NRDMMH）。通过对分簇路由实现的一般过程的研究与分析，提出了一种基于非均匀分簇半径的双簇头混合多跳路由模型，考虑了监测区域的分层、簇头分簇半径的计算、簇头的选举、组簇的方式、以及簇间路由的建立，研究与仿真实验表明，该模型与LEACH、 EEUC这两个经典模型进行比较，延长网络生命期近84%与18%，能有效的降低节点通信代价、均衡网络能耗。

关键词：地理信息;无线传感网络;能量高效;路由协议优化;分簇路由

学科专业：地球探测与信息技术

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 课题产生的背景和意义

1.1.2 WSN 用于地理环境信息监测的优点

1.1.3 WSN 概述

1.1.4 研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究进展

1.2.2 国内研究现状

1.3 论文研究主要内容及主要贡献

1.3.1 论文组织

1.3.2 研究内容

本章小结

第2章 地理环境信息监测中 WSN 的节能分析与研究

2.1 WSN 节点能耗分析与节能策略

2.1.1 WSN 节点能耗分析

2.1.2 WSN 节点节能策略

2.2 WSN 各层能耗分析与节能策略

2.2.1 WSN 协议栈

2.2.2 网络协议层次中各层的能耗研究

2.3 WSN 跨层解决方案

2.3.1 跨层设计的优势

2.3.2 层间协作节能体系的实现

本章小结

第3章 WSN 路由协议分析与研究

3.1 WSN 的特点对路由设计的影响

3.2 面临的挑战

3.3 WSN 现有路由协议分类

3.3.1 以数据为中心的路由协议

3.3.2 基于位置信息的路由协议

3.3.3 基于数据流与服务质量保证（QoS）的路由协议

本章小结

第4章 分簇路由协议分析研究及成簇策略的改进

4.2 优点、核心问题与设计流程

4.3 LEACH 路由协议介绍

4.4 LEACH 协议缺陷改进现状研究

4.5 成簇策略的改进

4.5.1 几种典型成簇策略

4.5.2 节点均匀分布的均衡分配成簇策略（UDEM）设计

4.5.3 节点非均匀分布的均衡分配成簇策略（UUDEM）设计

本章小结

第5章 簇间混合多跳路由模型设计及实现

5.1 网络模型

5.2 簇间混合多跳路由系统模型

5.3 算法描述

5.4 仿真分析

5.4.1 仿真参数

5.4.2 结果分析

本章小结

第6章 基于非均匀分簇半径的双簇头混合多跳路由模型设计与实现

6.1 设计目标

6.2 路由设计方案

6.3 路由算法的实现

6.3.1 网络模型

6.3.2 能量消耗模型

6.3.3 监测区域的划分

6.3.4 簇头选举

6.3.5 成簇及稳定通信

6.3.6 分簇的改进

6.4 报文设计

6.5 仿真分析

6.5.1 仿真参数

6.5.2 结果分析

本章小结

第7章 WSN 在地理环境信息监测中的应用

7.1 地理环境信息监测系统模型分析

7.1.1 地理环境信息监测系统设计需求分析

7.1.2 地理环境信息监测系统技术路线

7.1.3 地理环境信息监测系统模型建立

7.2 无线传感器节点设计

7.2.1 IEEE802.15.4 与 ZigBee

7.2.2 CC2530 芯片的特点与性能参数

7.2.3 CC2530 的外部设备

7.2.4 基于 CC2530 的传感器节点设计

7.2.5 传感模块设计

7.3 系统软件设计

7.3.1 节点收发程序设计

7.3.2 上位机软件设计

7.4 组网与测试

7.4.1 建立网络

7.4.2 系统测试

7.5 本章小结

结语与展望

全文总结

研究展望

致谢

参考文献

一、教育经历