基于鲸鱼群算法的WSN能效优化分簇方法研究

摘要

无线传感器网络（WSN）是由大量具有信息感知、通信与计算能力的传感器节点构成的多跳自组织网络系统，广泛应用于军事、工业等领域。然而对于绝大多数WSN场景，高度受限的能量是影响WSN生命周期的重要难题。因此如何有效提高网络能效成为WSN领域的研究热点。能效优化分簇方法是提高WSN能效的有效方法之一。本文在分析总结国内外研究现状的基础上，对WSN能效优化分簇问题进行了研究，其中分簇问题包括簇头选择问题和成簇问题。 针对大规模WSN，建立了WSN簇头选择问题的模型。针对问题的特点，提出了一种考虑簇头剩余能量以及簇头连通性与覆盖性的目标函数。采用鲸鱼群算法（WSA）进行求解，改进了WSA的个体编码、个体间距离计算及个体移动规则等，并设计了一种邻域搜索策略。通过实例计算与对比，验证了所提簇头选择算法的优异性。 提出了以簇头选择算法和成簇算法相结合的分簇方法。针对大规模WSN，建立了WSN成簇问题的模型。针对问题的特点，提出了一种提高网络能效、均衡节点能耗的目标函数。采用WSA求解WSN成簇问题，改进了WSA的个体编码、个体间距离计算及个体移动规则等，并设计了一种邻域搜索策略。通过实例仿真与对比，验证了所提分簇方法的优异性。 针对本文提出的分簇方法，设计了一种集网络启动、信息汇聚、分簇路由配置、数据采集启动、网络恢复等功能的WSN分簇协议，确定了该协议的定位与设计目的，设计了协议的组成与功能，详细设计了整个分簇协议，包括路由表结构、协议数据结构及多个协议报文。 基于Contiki/6LoWPAN平台，结合本文提出的WSN分簇协议，设计了一种温湿度无线传感器网络原型系统。对温湿度无线传感器网络系统进行了系统定位，设计了基于WSN分簇协议的温湿度无线传感器网络系统架构及功能组成，从设备选型、系统功能模块、系统工作流程三个方面对系统进行了详细设计，使用该温湿度无线传感器网络原型系统进行信息传输实验，验证了系统的有效性及其工程应用价值。 最后，对全文工作进行了总结，并对未来研究方向进行了展望。

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摘 要

Abstract

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1 绪论

1.1 研究背景

1.2 课题来源、目的及意义

1.2.1 课题来源

1.2.2 研究目的与意义

1.3 WSN分簇问题概述

1.4 国内外研究现状与分析

1.4.1 传统WSN分簇方法

1.4.2 基于启发式算法的WSN分簇方法

1.4.3 鲸鱼群算法的研究现状

1.4.4 现状总结与分析

1.5 本文的主要工作与结构

1.5.1 主要工作

1.5.2 全文结构

2 基于鲸鱼群算法的WSN簇头选择方法研究

2.1 WSN簇头选择问题建模

2.1.1 无线传感器网络模型

2.1.2 无线传感器网络能耗模型

2.1.3 WSN簇头选择问题定义

2.1.4 WSN簇头选择问题目标函数

2.2 WSA求解WSN簇头选择问题

2.2.1 鲸鱼个体编码

2.2.2 鲸鱼个体间距离计算

2.2.3 鲸鱼个体移动规则

2.2.4 邻域搜索策略

2.3 实例验证

2.3.1 实例介绍

2.3.2 参数设置与评价指标

2.3.3 实例验证结果与分析

2.4 本章小结

3 基于鲸鱼群算法的WSN成簇方法研究

3.1 WSN能效优化分簇模型

3.1.1 无线传感器分簇网络模型及其能耗模型

3.1.2 WSN成簇问题定义

3.1.3 WSN成簇问题目标函数

3.2 WSA求解WSN成簇问题

3.2.1 鲸鱼个体编码

3.2.2 鲸鱼个体间距离计算

3.2.3 鲸鱼个体移动规则

3.2.4 邻域搜索策略

3.3 实例仿真与分析

3.3.1 实例介绍

3.3.2 参数设置与评价指标

3.3.3 仿真结果与分析

3.4 本章小结

4 WSN分簇协议设计

4.1 WSN分簇协议框架设计

4.1.1 WSN分簇协议的定位与设计目的

4.1.2 WSN分簇协议的组成与功能定义

4.2 WSN分簇协议详细设计

4.2.1 WSN分簇协议路由表设计

4.2.2 WSN分簇协议数据结构设计

4.2.3 WSN分簇协议报文的设计

4.3 本章小结

5 温湿度无线传感器网络原型系统开发与实验验证

5.1 系统体系架构设计

5.1.1 系统定位与设计目的

5.1.2 系统架构与功能定义

5.2 系统整体设计

5.2.1 设备选型

5.2.2 系统功能模块设计

5.2.3 系统流程设计

5.3 实验与系统测试

5.3.1 实验方案

5.3.2 实验过程与实验数据分析

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得研究成果