基于微粒群算法和能量管理的无线传感器网络的节点调度

论文摘要

无线传感器网络是综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术的一种全新信息获取和处理技术。由于其在许多应用领域中具有重要的实用价值,无线传感器网络被认为是对21世纪产生巨大影响力的技术之一,成为学术界的研究热点。无线传感器网络依赖电池供电,电池能量有限,且传感器节点一旦配置后,由于工作环境等因素的限制很难对电池进行充电或更换,因此如何对无线传感器网络进行能量管理,节省网络能量消耗是无线传感器网络软硬件设计中的核心问题。由于传感器网络中节点密度大,网络中存在大量的冗余节点,全部节点同时工作会浪费大量能量。一种能量管理的有效方法是调度一些节点进入休眠状态,而另外一些节点处于工作状态,再轮换节点使其轮流工作。节点调度的目标是调度尽可能多的冗余节点进入休眠状态,减少不必要的能量消耗,以延长网络寿命。本论文基于经典的LEACH分簇协议,在保证网络覆盖范围的基础上,同时根据簇内能量消耗最小原则,将节点调度转化为一个组合优化问题,利用微粒群优化算法在求解复杂优化问题方面的强大优势来解决这个问题。并对标准微粒群算法做出了改进,对适应度值不同的微粒赋予不同的惯性权重,使算法既具有良好的空间探索能力又有良好的局部挖掘能力;在群体最优信息陷入停滞时引入变异算子,对聚集在局部最优微粒附近的微粒的位置和速度进行变异操作,使算法摆脱局部最优点的束缚。仿真实验表明本文所研究的节点调度算法是正确、有效的,具有良好的节能效果。与标准微粒群算法相比,算法的全局搜索能力和收敛速度都得到了显著提高,同时能够有效避免早熟收敛。此外本文针对簇头节点选择的合理性讨论了一种基于能量均衡的簇头节点轮换机制,在轮换中考虑节点的剩余能量和距离簇中心的位置。通过仿真实验以及与其它算法的比较,证明本算法能有效均衡网络能量消耗,延长网络寿命。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 课题研究目的与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 课题研究内容
• 1.4 论文的组织结构
• 第二章 无线传感器网络
• 2.1 无线传感器网络概述
• 2.2 无线传感器网络的能量管理
• 2.2.1 系统能耗分析
• 2.2.2 节能策略
• 2.3 无线传感器网络的节点调度
• 第三章 微粒群优化算法及其改进
• 3.1 微粒群优化算法实现
• 3.1.1 算法基本原理
• 3.1.2 算法社会行为分析
• 3.1.3 算法实现步骤
• 3.2 微粒群优化算法的研究现状
• 3.2.1 对算法收敛速度的改进
• 3.2.2 增加微粒群多样性的改进
• 3.2.3 其他改进微粒群算法
• 3.3 改进惯性权重的变异微粒群优化算法
• 3.3.1 对惯性权重的改进
• 3.3.2 对变异机制的改进
• 3.3.3 新算法流程
• 3.3.4 仿真实验及结果分析
• 第四章 基于改进微粒群算法和能量的节点调度
• 4.1 算法的相关模型
• 4.2 基于改进的离散二进制微粒群算法的节点工作/休眠调度
• 4.2.1 算法的前提假设
• 4.2.2 适应度函数建立
• 4.2.3 改进的离散二进制微粒群算法
• 4.2.4 算法流程
• 4.3 仿真实验及结果分析
• 4.3.1 算法参数分析
• 4.3.2 算法性能分析
• 4.3.3 算法优化效果
• 第五章 基于能量均衡的簇头节点轮换机制
• 5.1 算法的提出背景
• 5.2 基于能量均衡的簇头节点轮换
• 5.2.1 问题描述
• 5.2.2 算法设计具体描述
• 5.2.3 算法流程
• 5.3 仿真实验及结果分析
• 5.3.1 算法参数分析
• 5.3.2 算法性能分析
• 第六章 结论与展望
• 6.1 本论文研究总结
• 6.2 前景展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士研究生期间取得的研究成果