基于仿生智能算法的WSN分簇路由协议的研究

论文摘要

无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成,通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。传感器网络中的节点通常采用电池作为电源,能量十分有限,且一经部署后难以更换,因此提高能效以延长网络寿命一直是无线传感器网络设计时关心的问题。无线传感器网络路由协议和拓扑结构的设计会影响到整个网络的寿命,路由协议应能量高效、可扩展性好、鲁棒性好以及收敛快,拓扑结构应在保证网络连通性和覆盖度的情况下,尽量合理地使用网络能量,延长整个网络的生存时间。本文分析了WSN路由协议设计时遇到的问题,从提高网络能效,延长网络寿命的角度出发,结合群体智能算法简单、分布式以及易于实现等特点,提出了基于粒子群算法(PSO)的分簇算法和基于蚁群算法(ACO)的簇间路由算法。网络节点分簇是一种规划网络拓扑的NP优化问题,本文采用PSO算法设计分簇算法,充分考虑了节点剩余能量、簇头在网络中的分布以及簇内的结构,有效地均衡负载,延缓了节点的死亡,并且每轮能保证数据的可靠通信。而后,根据分簇算法求解出的分簇结果,设计了基于ACO算法的簇间路由算法,结合蚁群算法较好的鲁棒性和可扩展性,以及无需中心控制的特点,将簇头节点的剩余能量、簇头节点间距、簇头到基站的距离等因素引入概率转移规则和信息素更新规则的设计,使远端簇头的数据经由簇间建立多跳路由发送至基站,并按照一定机制减轻靠近基站的簇头负载,有效推迟了节点的死亡时间,延长了网络的寿命。最后将分簇算法与簇间路由算法结合起来,组成基于群体智能的WSN分簇路由协议,与LEACH进行了仿真实验对比,实验表明该分簇路由协议在牺牲收敛速度的前提下,推迟了节点的死亡,均衡了网络负载,延长了网络寿命。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 无线传感器网络概述
• 1.1.1 无线传感器网络体系结构
• 1.1.2 无线传感器网络的特点
• 1.1.3 无线传感器网络的应用
• 1.2 研究目的与意义
• 1.3 论文研究内容和组织结构
• 第2章 无线传感器网络路由协议
• 2.1 无线传感器网络路由协议设计面临的挑战
• 2.2 无线传感器网络路由协议的设计目标
• 2.3 无线传感器网络的路由协议
• 2.3.1 平面路由协议
• 2.3.2 分层路由协议
• 2.4 各路由协议的性能比较
• 2.5 本章小结
• 第3章 无线传感器网络LEACH协议分析
• 3.1 LEACH协议体系结构
• 3.2 建立阶段
• 3.2.1 簇头选举
• 3.2.2 自组织成簇
• 3.3 稳定阶段
• 3.4 无线通信能耗模型
• 3.5 簇的最优个数
• 3.6 LEACH协议的优缺点
• 3.7 本章小结
• 第4章 基于PSO的分簇算法设计
• 4.1 基本粒子群优化算法
• 4.1.1 算法的数学描述
• 4.1.2 算法流程
• 4.1.3 改进的粒子群算法
• 4.2 基于PSO的分簇路由协议设计
• 4.2.1 分簇阶段
• 4.2.2 稳定阶段
• 4.3 实验仿真
• 4.4 本章小结
• 第5章 基于ACO的簇间路由设计
• 5.1 基本蚁群算法
• 5.1.1 基本蚁群算法的数学模型
• 5.1.2 基本蚁群算法的实现步骤
• 5.2 基于蚁群算法的路由协议设计
• 5.2.1 分簇阶段
• 5.2.2 簇间路由阶段
• 5.3 实验仿真
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 研究工作总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢