基于粒子群算法的无线传感器网络路由技术研究

论文摘要

无线传感器网络（Wireless Sensor Network,WSN）是当前IT产业的研究热点,具有广阔的应用前景和巨大的商业潜力,受到军事界、学术界和工业界的高度重视。由于传感器节点的能量、存储、运算和通信等都十分有限,因此WSN路由协议设计的首要目标就是节能和延长网络生命周期。随着研究的进展,大规模WSN的路由协议逐渐呈现出层次化的趋势。本文首先对几种典型WSN路由协议进行了介绍和比较,重点叙述了经典LEACH路由协议,然后采用粒子群优化算法（Particle Swarm Optimization,PSO）对LEACH协议的簇首选择过程进行优化,以达到降低能耗和提高能耗均衡程度的效果。本文的主要工作和创新点为:（1）对PSO中的参数压缩因子进行改进,得到带有自适应压缩因子的粒子群算法ACFPSO。在ACFPSO中,压缩因子的变化考虑到整个粒子群的搜索进展情况,伴随着粒子群个体最优解和全局最优解的动态变化进行自适应调整,以平衡粒子群的全局搜索能力和局部搜索能力,提高PSO的收敛性和效率。（2）对LEACH协议中最优簇首数的动态确定进行了研究,分析了最优簇首数对网络性能的影响。然后运用MATLAB软件对最优簇首数进行了实验仿真。仿真结果表明:与经典LEACH协议相比,采用最优簇首数的LEACH协议能够有效地降低了网络平均能耗,剩余存活节点数明显增多。（3）提出新的基于PSO的分簇路由算法ACFPSO-C,应用ACFPSO对LEACH协议的簇首选择过程进行优化。在ACFPSO-C中,簇首的选择综合考虑了传感器节点的剩余能量、数据传输的能耗以及节点之间的距离等因素。仿真结果表明:与LEACH协议相比,ACFPSO-C算法显著地改善了网络的能耗均衡程度,避免了网络中某些传感器节点的过早死亡,基站接收到的数据量增多,网络生命周期得到延长。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究现状与发展趋势
• 1.3 研究目的和意义
• 1.4 本文的组织结构
• 第二章 无线传感器网络
• 2.1 概述
• 2.2 WSN 的体系结构
• 2.2.1 网络结构
• 2.2.2 节点结构
• 2.2.3 协议栈
• 2.3 WSN 的特点
• 2.4 WSN 的关键技术
• 2.5 WSN 的应用
• 2.6 本章小结
• 第三章 WSN 路由协议
• 3.1 WSN 路由协议概述
• 3.2 WSN 路由协议的特点与设计规则
• 3.3 WSN 路由协议的分类
• 3.4 典型WSN 路由协议的分析与比较
• 3.4.1 平面路由协议
• 3.4.2 层次路由协议
• 3.4.3 典型WSN 路由协议的比较
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于PSO 的WSN 路由协议
• 4.1 前言
• 4.2 粒子群优化算法
• 4.2.1 概述
• 4.2.2 自适应压缩因子PSO（ACFPSO）
• 4.3 基于PSO 的WSN 分簇路由算法（ACFPSO-C）
• 4.3.1 系统模型与能耗模型
• 4.3.2 最优簇首数
• 4.3.3 适应值函数
• 4.3.4 粒子与传感器节点的位置映射
• 4.3.5 ACFPSO-C 算法流程描述
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于MATLAB 的算法仿真与分析
• 5.1 分簇路由算法的性能评价指标
• 5.2 仿真环境及参数设置
• 5.3 最优簇首数的仿真
• 5.4 ACFPSO-C 算法仿真与性能分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献