MASTER'S THESIS RESEARCH ON ANT INTELLIGENCE ROUTING ALGORITHM FOR WSNs

摘要

现代通信网络日趋多样化和异构化。这是由于新增的大量的设备和服务，尤其是无线设施所来来的结果。在众多的异构网络节点之间进行无缝的交互的需要，是一项艰巨的挑战。把无线网络和现有的有线链路基础设施整合成为一个整体并满足高效的网络路由的需求更是难以实现。当前的路由算法不足以处理这样日益复杂的网络。集中式的算法会有扩展性问题；静态路由算法很难处理网络更新问题，并且分布式的动态路由策略难以避免震荡性和稳定性问题。
　　 基于蚁群协议的路由方法对以上的问题提供了一个很好的解决方案。它利用移动软件代理来管理网络。这些代理都是自治实体，同时具有主动性和被动性，他们在通信网络中能够自适应、协调，并且能够智能的从一个地方移到网络的另一个地方。蚁群网络中的节点可以通过自治代理之间的简单交互展现出自发的行为，通过简单的动作能够引起尚未明确的复杂行为。
　　 目前，有越来越多的人研究模式的自主计算，这是因为网络变得越来越复杂和庞大并且希望它们能够自组织，自我配置，对于拥塞、网络连接线性等问题能够自适应。为了支持这个新模式，网络算法应该有足够的鲁棒性，能够在分布式环境下工作，能够识别到网络的变化，并最终能不损失连接性的适应新的网络环境。
　　 大自然的自我组织系统如蚁群正好具有这些优良特性。利用一些相对简单的生物代理(例如蚂蚁)，在当前环境下，通过代理之间的局部交互能够在系统的层面上产生一系列的不同的组织行为。这种对环境条件的改变所表现出来的集体行为的鲁棒性和有效性是成功的关键。自然界的自组织系统最近已成为分布式和自适应算法，尤其是路由算法设计灵感的来源。
　　 蚁群算法的路由选择算法发展为了有线网络他们的工作是以一个分布式和局部方式，可以观察和适应交通模式的变化。然而，无线网络的变化更激烈：除了通信量的变化，两个的拓扑结构和数量的节点也可以不断变化。进一步困难是由共享的实际无线通信信道的有限宽带引起的：尽管无线通信的数据速率可能相当高，用于介质存取控制的算法，如IEEE802.11，无论是在控件包和传输延时都创造了很多系统开销，降低有效的服务器带宽的可能。
　　 因此无线传感器网络的挑战更大，新设计必须保证基本的网络功能由于传感器网络在现实世界和虚拟世界的巨大潜力，近年来有效的设计和无线传感器网络的实现已经成为了无线传感器网络的一个热门的研究领域。
　　 很难或不可能用更传统的方式来获取的一些物理现象的数据，通过连接大量的微小的传感器网络节点，而可以获取。在将来，技术的进步将使传感器节点的制造成本降低，(无线传感器网络的部署的增加是不可避免的，最终大量的节点随着网络而增长(例如，成千上万个节点)。大规模的无线传感器网络的潜在的应用存在于不同的领域，包括医疗监测、环境监测、监视、家庭安全、军事行动和工业机械监测。为了了解由无线传感器网络支持的各种各样的应用程序，假设多网络化传感器(例如，声学、地震、视频)分布在整个地区，例如一个战场。在传感器网络基础上，设计一个监视应用程序提供给终端用户关于环境的信息。在这样一个传感器网络，交通模式是多对一的关系。如果数据处理是在本地完成的，交通传感器数据的范围可以从原始传感器数据到关于环境中所发生的事的较高的层次的描述，应用程序将会对传感器网络有一些服务质量(QoS)要求，例如要求在一个区域内一个现象将发生的最低传感器覆盖概率，或者要求一个漏检事件的最大的概率。
　　 与此同时，网络将长期提供这个服务质量，比如几月甚至几年，利用有限的资源的网络(例如。传感器能量和信道带宽)而需要很少或没有外部干预。实现这些目标就需要传感器硬件和网络协议的细致的设计。在该医疗监测领域中，就可以发现一个可以利用无线传感器网络技术的不同的应用领域。这个领域的范围很广，从监测在医院的病人使用无线传感器消除贫富差距扩大病人约束下的大、笨重，有线监控设备、到监控患者在大量伤亡情况、到监控人们日常生活中早期诊断和干预提供不同类型的疾病。在这些场景，感器有微型传感器，body-worn传感器，外部传感器，诸如摄像机或定位装置。在一个具有挑战性的环境中，可靠的，灵活的应用程序必须使用传感器的数据作为输入来设计。
　　 考虑一个人的健康状况，就要运行PDA来接收和分析大量的感测器的数据(例如，肌电图(EMG)、心电图、血压、血流量、脉搏血氧测定仪)。
　　 检测器将对病人的健康风险做出反应并把健康信息记录在当地数据库里。
　　 考虑到大多数用于个人健康监测器的传感器是由电池驱动的而且是使用无线通信，明显的是，这个应用程序需要的联网协议必须是有效的、可靠的、可扩展的且安全的。
　　 本论文提出了蚂蚁智能路由算法(AIRA)，该算法是为无线传感器网络设计的一种自适应、低功耗、多路径的路由协议。本协议设计的首要目标是能源效率和自组织，同时不影响网络吞吐量。AIRA算法通过使用低占空比操作技术和自适应睡眠技术使相邻节点定时关闭无线收发器以避免在多跳路由网中不必要的监听和干扰正在进行的数据传输来减少能量消耗。这大大提高了能量效率。本算法支持单个节点的自组织并且通过利用数据包中的相关信息来维护已建立的通信路由以减少网络路由控制开销。最后，AIRA运用了同步睡眠技术来改善整个网络的能量消耗。在大量不同应用场景的模拟试验中，本路由协议都有较好的性能表现。