基于粒子群优化的无线传感器网络分簇路由协议的研究

论文摘要

无线传感器网络涉及众多学科,是目前IT领域中的研究热点,并具有广泛的应用前景。由于无线传感器网络节点的能量、处理能力、存储能力、通信能力等都十分有限,能源的高效使用就成为无线传感器网络路由设计的首要目标。大规模的无线传感器网络一般都采用层次型路由协议来减少能量消耗。本文主要针对无线传感器网络的基于分簇的层次型路由协议进行探讨。相比与降低单个节点的能量消耗,能量高效的无线传感器网络路由协议也必须重视能量在网络范围内的均衡消耗。采用粒子群优化算法优化分簇路由协议中的簇头选择和路径选择,既可以减少能量消耗,也能是能耗更加均衡。本文是在对无线传感器网络的分簇路由协议分析研究的基础上,对已有的协议进行改进,提出一种新的能量均衡高效的分簇路由协议。首先提出了基于粒子群优化的双簇头分簇算法（PSO-based Double Cluster-Heads Clustering algorithm, PSO-DH）。粒子群优化算法具有简单、有效、收敛快的特性,可以为能量、处理能力、存储能力都有限的无线传感器网络所用。基于粒子群优化的双簇头分簇算法首先利用粒子群优化算法来优化簇头的选择,使所选择的簇头节点具有较高的能量而且与其他簇内节点之间的距离尽量小,以此来达到减少能量消耗的效果；并通过采用双簇头策略,利用副簇头负责与汇聚节点的通信,使簇头能耗在主副簇头间分散开,进一步做到能耗均衡,达到延长网络生命周期的效果。仿真实验结果表明这个算法与LEACH算法相比可明显延长网络生命周期,具有较高的优越性。其次对能量高效路由算法进行了探讨。无线传感器能量高效的路由协议不仅仅单个节点的能量消耗要小,更重要的是整个网络能量的均衡消耗。针对这一要求提出能耗均衡的最小能耗路由算法（Balanced Minimum Energy Consumption algorithm, BMEC）,通过节点的位置和剩余能量两方面的信息来确定多跳路径中实际中继节点的选择,得到总能量消耗小且能耗均衡的路径。仿真结果表明这个算法所得到的路径,虽然网络的总体能量消耗比最小能耗路由算法要稍多一些,但是因为它的能耗分布比较均衡,整体网络的生命周期要比最小能耗路由算法延长接近30%,具有较高的能量效率。最后,针对大规模无线传感器网络,提出了基于粒子群优化的无线传感器网络分簇路由协议（PSO-based clustering Routing Protocol for WSN, PSO-CR）。该协议综合前面的两个算法采用了分簇算法和多跳路由,分为两个阶段：簇的建立阶段和数据通信阶段。在簇的建立阶段采用基于PSO的无线传感器网络双簇头分簇算法（PSO-DH）选择主、副簇头。在数据通信阶段副簇头根据第四章中的能耗均衡的最小能耗路由算法（BMEC）选择路径,将数据通过多跳传送给sink节点。该协议可以使得网络中的节点比较均衡地消耗能量。通过仿真证明,基于粒子群优化的无线传感器网络分簇路由协议（PSO-CR）具有能量均衡高效的特点,有较好的性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.2 研究内容和意义
• 1.3 论文组织
• 第二章 无线传感器网络路由协议
• 2.1 WSN路由协议概述
• 2.2 路由协议分类
• 2.3 层次型路由协议简介
• 2.3.1 LEACH
• 2.3.2 LEACH-C
• 2.3.3 HEED
• 2.3.4 PEGASIS
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于PSO的无线传感器网络双簇头分簇算法
• 3.1 概述
• 3.2 粒子群优化算法简述
• 3.3 网络和能耗模型
• 3.3.1 网络模型
• 3.3.2 能耗模型
• 3.4 基于PSO的双簇头分簇算法（PSO-DH）
• 3.4.1 PSO的适应值函数
• 3.4.2 MCH和VCH的选择
• 3.4.3 PSO-DH算法详细步骤
• 3.5 仿真及结果
• 3.5.1 仿真环境
• 3.5.2 仿真结果及分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 能耗均衡的最小能耗路由算法（BMEC）
• 4.1 概述
• 4.2 BMEC网络与能耗模型
• 4.2.1 网络模型
• 4.2.2 能耗模型
• 4.3 能耗均衡的最小能耗路由算法
• 4.3.1 理想MEC路径
• 4.3.2 理想下一跳中继节点
• 4.3.3 实际路径
• 4.3.4 BMEC算法的实现
• 4.4 仿真及结果
• 4.4.1 仿真环境
• 4.4.2 仿真结果及分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于粒子群优化的无线传感器网络分簇路由协议
• 5.1 概述
• 5.2 仿真及结果
• 5.2.1 仿真环境
• 5.2.2 仿真结果及分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录
• 学位论文评阅及答辩情况表