基于蚁群算法的无线传感器网络分簇路由算法优化

摘要

无线传感器网络中，节点相互协作、自主运行，通常布置在偏僻地区、野外或者敌方战场等人员难以到达或不能到达的恶劣环境，而传感器节点一般由电池供电，其能量十分有限。很显然，通过更换电池来维持节点能量是不现实的，加之网络中布置的节点数量多、覆盖面积广，这给传感器网络的设计和管理提出了挑战。
　　 作为无线传感器网络的核心技术之一的路由协议，解决的是数据传输问题，它的主要设计目标是在满足应用需求的同时尽量减少网络节点能耗，均衡网络开销，从而取得资源利用的整体有效性，延长网络生存时间，扩大网络容量，提高网络吞吐率。因此，设计一个合理的路由协议是无线传感器网络中至关重要的。本文在分析无线传感器网络路由的基础上，重点分析了经典的分簇路由算法低功耗自适应聚类路由协议LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)及其相关改进协议，并提出了改进算法。主要工作如下：
　　 (1)介绍了无线传感器网络及其路由协议的特点、分类，分析了路由协议设计的关键问题和几种典型的路由协议，并比较了它们的优缺点。深入分析了LEACH协议及其相关的改进协议，并分析了其存在的不足。
　　 (2)介绍了蚁群算法的特点及其应用在无线传感器网络中的优势。
　　 (3)在成簇阶段，提出了划区成簇的改进算法A-LEACH。针对LEACH协议中簇头节点在空间上分布不均以及随机选取簇首的问题，提出了按区域划分成簇的方法，使得每个簇内的节点数目相当，并在每一轮中选取能量最多的节点充当簇首。理论分析表明，算法A-LEACH在网络能耗均衡方面明显优于LEACH，从而延长了网络的生存时间。
　　 (4)在数据通信阶段，提出了改进算法MH-LEACH。算法针对LEACH协议中簇首与SINK节点直接通信的问题，引入蚁群算法，提出了带有诊断机制的多跳路由算法。利用NS-2仿真，结果表明，MH-LEACH算法在能量消耗及节点存活数量上有明显优势。
　　 (5)结合以上研究工作，提出了基于蚁群算法的改进的路由协议BAMH-LEACH。该算法将簇首节点的剩余能量作为信息素，形成簇首间的多跳路由，并引入诊断机制，选择多条路径，从而有效地提高整个网络的可靠性。通过理论分析和NS-2仿真对原LEACH协议和改进的BAMH-LEACH协议进行比较，结果表明，改进后的协议明显延长了网络的生存时间，均衡了网络中传感器节点的能量消耗，并减轻了SINK节点的工作量，性能优于LEACH协议。