无线传感器网络的研究——无线传感器网络路由优化与维护算法的研究

摘要

无线传感器网络是由大量随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信模块的微小节点组成，节点间通过自组织的方式构成网络，是一种大规模、无人值守、资源严格受限的分布系统。无线传感器网络具有广泛的应用前景，在环境保护如湖泊水质的环境监测中具有特殊的应用价值。 本文综合应用智能Agent与蚁群和PSO算法，实现了无线传感器网络路由的优化与维护，同时研究了与其相关的无线传感器网络服务质量QoS，并解决了无线传感器网络中节点定位问题。论文研究的主要内容为： (1)综述了无线传感器网络的基本概况及发展现状，讨论了无线传感器网络的特点和关键技术，介绍了其应用及发展方向。接着重点分析了无线传感器网络的路由协议的相关工作，展望了有关技术的发展动态和最新成果，分析了有关路由算法的基本原理和应用，以及基于OoS的路由协议。对于在湖泊的环境监洲中的应用，讨论了无线传感器网络的技术要求。接着综述了路由维护和节点定位的相关工作，建立了模拟环境。 (2)计算机网络协议中最重要的部分是路由协议，对丁无线传感器网络，由于其自主分布和动态的特点，使得路由问题越加复杂，要使无线传感器网络成为满足一定网络服务质量要求的网络，就必须对路由策略进行深入的研究。第三章讨论了OoS度量值的含义，提出了综合QoS指标的计算方法，为采用Agent的基于QoS的智能路由优化算法提供了基础。接着详细设计了Agent的数据结构和行为动作，给出了基于Agent的路由算法，分别结合了蚁群算法和IPSO算法，进行路由优化。通过对提出的路由算法的测试，表明算法是可行和有效的，能满足无线传感器网络的在湖泊环境监测中QoS需求，同时也能适应网络中节点的移动。 (3)网络维护是路由协议中非常重要的一个部分，特别对于由于节点失效和节点移动引起的网络拓扑结构变化的无线传感器网络。第四章利用Agent的动态特性，提出了基于随机移动Agent(RMA)的路由维护算法，从而在网络结构变化时保证网络较高的QoS水平。算法设计的RMA在网络中随机地移动，记录了有关的信息，这些信息中包含了用于路由维护的有效信息。实验表明基于随机移动Agent(RMA)的路由维护算法是有效的。 (4)对于不同无线传感器网络应用系统，节点定位有着不同的要求。第五章在深入分析了具有代表性的两种分布式的节点定位算法，从定位精度及能量消耗两个方面给出了分析结果，并在此基础上提出了改进的定位BBRP算法，同时推广应用在移动无线传感器网络中。仿真结果表明，BBRP算法虽然在定位精度略低于原有的算法，但是在能量消耗指标上有了较大的提高，使得无线传感器网络的生命周期延长。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章无线传感器网络

1.1无线传感器网络概述

1.2无线传感器网络的应用

1.3无线传感器网络发展与研究

1.4无线传感器网络的特点和关键技术

1.5论文主要工作与论文的安排

1.6本章小结

第二章无线传感器网络的路由协议研究

2.1无线自主网络路由

2.1.1无线自主网络与无线传感器网络

2.1.2路由算法分类

2.1.3无线自组网络的路由算法

2.2无线传感器网络的路由

2.2.1平面路由协议

2.2.2层次路由协议

2.2.3基于Ad-hoc网络的中已有的多跳路由协议

2.2.4智能算法在路由中的应用

2.3无线传感器网络的服务质量QoS

2.3.1服务质量QoS的度量

2.3.2支持QoS的路由协议

2.3.3路由协议和QoS

2.3.4综合QoS指标

2.4.模拟环境的建立

2.4.1体系结构

2.4.2网络模拟方法与过程

2.5本章小结

第三章智能路由优化算法的研究与实现

3.1问题的提出

3.2 QoS路由问题

3.2.1网络模型

3.2.2路由表

3.2.3综合QoS指标的计算

3.3 Agent的设计

3.3.1前向Agent

3.3.2后向Agent

3.3.3 Agent小结

3.4基于蚁群优化的路由发现算法

3.4.1基本蚁群算法

3.4.2基于蚁群优化的路由发现算法描述

3.4.3路由表更新

3.4.4对于节点移动和失效的考虑

3.5微粒群算法

3.5.1微粒群算法基本原理

3.5.2基于PSO的路由

3.5.3初始路由路径的确立

3.5.4基于PSO思想的路由算法

3.6实验与结果

3.6.1模拟中采用的移动模型

3.6.2无线网络环境的实验与结果讨论

3.6.3无线传感器网络环境的模拟

3.7本章小结

第四章基于随机移动Agent的网络路由维护

4.1引言

4.2基于随机移动Agent网络路由维护

4.2.1网络模型

4.2.2 RMA的设计

4.3 RMA路由维护机制

4.3.1局部路由树的维护

4.3.2路由维护信息

4.3.3动态路由维护

4.3.4示例

4.4 RMA的管理

4.4.1 RMA的生成

4.4.2节点被RMA的访问的概率和期望时间

4.4.3接收带有有效路由维护信息的RMA的概率

4.4.4.RMA移动的约束

4.5实验研究

4.5.1.路由路径的优化

4.5.2平均端剑端数据报延时

4.5.3.路由发现请求

4.6本章小结

第五章Robust Position节点定位算法的改进研究

5.1引言

5.2.定位算法

5.2.1 Bounding Box算法

5.2.2 Robust Position算法

5.2.3 比较分析

5.3 BB_RP算法实现

5.3.1 BB_RP算法思想

5.3.2算法步骤

5.3.3 BP_RP算法在移动无线传感器网络中的推广

5.4实验结果

5.5本章小结

第六章总结

6.1工作结论

6.2创新内容总结

致 谢

参考文献

攻读博士期间发表的文章