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研究生: 簡志賢
Chien, Chih-Shien
論文名稱: 以距離為基礎之無線感測網路叢集負載平衡之改善
An Improving of Load Balancing in Clustering Algorithm for Wireless Sensor Network Based on Distance
指導教授: 王明習
Wang, Ming-Shi
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 工程科學系碩士在職專班
Department of Engineering Science (on the job class)
論文出版年: 2017
畢業學年度: 105
語文別: 中文
論文頁數: 89
中文關鍵詞: 無線感測網路階層式路由負載平衡叢集調整
外文關鍵詞: Wireless Sensor Network, Hierarchical Routing, Load-balance, Cluster Adjustment
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  • 由於無線感測網路是透過許多具有能量限制的微小節點裝置所組成的。這些感測器通常被佈置在人員較難到達的地方,因此,一但佈署好感測節點後通常不考慮回收與更換感測器的能量裝置。在這樣的條件限制下如何有效的使用有限的能量,並且在回傳感測資料時盡量降低能源的消耗來增進整個網路的運作時間與壽命,是大部分無線感測網路通訊協定設計時的最基本且重要考慮因素之一,其中一種典型的低能量適應性叢集式路由演算法(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy, LEACH)[4]即是考慮能源使用問題而設計的路由演算法。但由於LEACH演算法本身仍存在著一些缺陷與改善空間,因此後續有許多研究以此以演算法為基礎並加以改良,這些研究中有許多部分都著重在事先將感測網路中的節點劃分為群組,控制感測網路中叢集數量並改良叢集首的選擇方式。但這些改善方式中存在著能量消耗不平均的問題,導致某些節點死亡過快或是拖延過久。本文針對以事先將節點劃分為群組的方式,提出一個調整叢集規模改善負載平衡演算法(Improve Load-balance by Cluster Size Adjustment algorithm, ILCSA) 來改善網路負載平衡的問題,透過修改建立叢集時的規模大小來改善叢集之間規模大小不確定的問題,使網路中的感測節點能較平均的消耗能量來達到延長網路生命週期的目的,經由模擬結果顯示我們所提出的方法可以延後第一個感測節點死亡的時間,且從第一個節點死亡到最後一個節點死亡的經過時間也較短,表示網路中的能量消耗較為平均。

    Since the wireless sensor network is composed of a number of tiny devices with energy constraints, each sensing node is limited in energy using. How the limited energy used effectively is a basic and important considered factor, and the design goal of most wireless sensing network protocols. Many researches control the number of clusters in the network by dividing the sensing nodes into groups in advance. However, there is still the problem of unbalanced energy consumption between clusters, resulting in shortened network life. In this thesis, we proposes a way to improve the energy utilization of the network nodes by adjusting the cluster size while considers the load-balancing factor of the network. The main idea is to adjust the cluster size based on the distance between the groups and the base stations. We use the software simulation to observe its performance, the simulation results show that energy consumption does tend to balance the trend, although its effect is still not ideal, but can determine the size of the cluster on the impact of network power consumption.

    摘要 i Extended Abstract ii 誌謝 xi 目錄 xii 表目錄 xv 圖目錄 xvi 第1章 緒論 1 1.1 研究背景 1 1.2 研究動機與目的 2 1.3 論文架構說明 3 第2章 背景知識與相關研究 4 2.1 無線感測網路架構介紹 4 2.2 無線感測網路路由協定類型介紹 6 2.3 低能源自適應性叢集階層演算法 9 2.3.1 演算法說明 9 2.3.2 設定階段 10 2.3.3 穩定階段 12 2.3.4 小結 14 2.4 群組叢集協定 16 2.4.1 演算法說明 16 2.4.2 群組化階段 17 2.4.3 叢集分配階段 19 2.4.4 小結 20 2.5 以能量比例改良群組叢集協定 22 2.5.1 演算法說明 22 2.5.2 群組化階段 23 2.5.3 叢集分配階段 26 2.5.4 小結 27 2.6 以距離為基礎之自適應群組叢集協定 29 2.6.1 演算法說明 29 2.6.2 距離比例公式改良 29 2.6.3 小結 30 2.7 基於強壯首的最大化能量路由協議 32 2.7.1 演算法說明 32 2.7.2 強壯首選擇方式 34 2.7.3 小結 34 2.8 權重式叢集首評估叢集法 36 2.8.1 演算法說明 36 2.8.2 權重項目說明 37 2.8.3 叢集首的評估方法 39 2.8.4 小結 42 2.9 自適應分组形成叢集演算法 43 2.9.1 演算法說明 43 2.9.2 分組階段說明 44 2.9.3 叢集形成階段說明 46 2.9.4 小結 48 第3章 調整叢集規模改善負載平衡演算法 50 3.1 演算法說明 52 3.2 群組化階段 55 3.2.1 群組範圍設定 55 3.2.2 叢集範圍設定 55 3.3 叢集建立階段 59 3.3.1 叢集首選擇方式 59 第4章 實驗與模擬結果 63 4.1 一階能源模型 63 4.2 功率延遲時間PDT 65 4.3 實驗規劃 67 4.3.1 模擬參數定義 67 4.4 模擬結果 70 4.4.1 群組化結果 70 4.4.2 叢集化結果 76 4.4.3 封包傳遞數量 81 4.4.4 網路生命週期 83 第5章 結論與未來研究方向 85 5.1 結論 85 5.2 未來研究方向 87 參考文獻 88

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