基于粒子群分簇算法的WSN节能路由协议的研究与实现

摘要

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)是一种涉及无线通信、微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS)、片上系统(System on Chip,SOC)和低能耗嵌入式技术等多学科的全新的信息获取平台，通常用于实时监测网络区域中的各类监测对象的信息，并将采集后的数据发送到汇聚节点。
　　无线传感器网络是由大量小型、廉价、低能量的传感器节点组成，网络部署区域通常较复杂，节点一经部署后就不便更换电池，另外改变提供能量的方式（如采用太阳能）或降低功耗都因受到成本、体积等限制而难以实现，所以可行的节能方法是改进网络路由协议和优化拓扑结构。
　　本文提出基于粒子群分簇算法的WSN节能路由协议，主要是从以下两个方面进行研究。第一，网络节点分簇是一种优化网络划分的NP问题，粒子群算法可以有效地解决这个问题，但是粒子群算法的收敛速度较慢，为此本文引入一种对各个粒子不同维度使用不同权重的策略，加速粒子群算法收敛速度，在改进后的粒子群算法的基础上结合节点剩余能量、簇内分布和簇间分布的因素，提出一种粒子群分簇算法。第二，为了避免簇头节点到汇聚节点的远距离通信，结合多跳的特点，本文设计一种单跳与多跳相结合的簇间路由算法，并使用“阈值检测”机制减轻靠近汇聚节点的簇头负载，有效的降低靠近汇聚节点的簇头能耗。最后将基于改进的粒子群分簇算法与簇间路由算法结合起来，形成一种自适应节能聚簇路由协议(Adaptive energy-efficient Cluster-Routing Protocol)，简称AECRP。
　　本文详细阐述了AECRP分簇路由协议，并在OMNeT++网络仿真平台上对AECRP协议和LEACH协议在同一场景下进行多组仿真对比实验。结果表明，该分簇路由协议在牺牲可接受的收敛速度的前提下，不仅均衡整体网络能量的使用、延迟节点的死亡时间，同时可以提供更可靠的数据交付，可以向汇聚节点发送更多的数据。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 无线传感器网络(WSN)概述

1．1．1 无线传感器网络体系结构

1．1．2 无线传感器网络的特点

1．1．3 无线传感器网络的国内外研究现状

1．2 本文研究意义和研究内容

1．3 论文的组织结构

第2章 无线传感器网络路由协议

2．1 无线传感器网络路由协议概述

2．1．1 无线传感器网络路由协议设计的关键问题

2．1．2 无线传感器网络路由协议的设计目标

2．2 无线传感器网络路由协议分类

2．3 经典无线传感器网络层次路由协议的比较与分析

2．4 无线通信能耗模型

2．5 问题的提出

2．6 本章小结

第3章 基于PSO分簇算法和簇间多跳的WSN节能路由协议

3．1 粒子群优化算法及改进

3．1．1 PSO算法的数学描述

3．1．2 PSO算法流程

3．1．3 PSO-DA算法设计

3．2 AECRP路由协议总体设计

3．3 AECRP分簇算法设计

3．3．1 基于PSO-DA选簇算法设计

3．3．2 基于PSO-DA选簇算法流程

3．3．3 自组织成簇过程

3．3．4 AECRP协议中簇的最优个数

3．4 AECRP簇间路由算法设计

3．4．1 单跳与多跳相结合的簇问路由算法设计

3．4．2 LESM簇间路由

3．4．3 “能量热点”问题解决方案

3．5 本章小结

第4章 基于OMNeT++平台的节能路由协议的仿真实现

4．1 OMNeT++平台介绍

4．2 OMNeT++仿真过程

4．3 仿真实现

4．3．1 创建仿真模型

4．3．2 消息仿真处理

4．3．3 AECRP分簇阶段实现

4．3．4 LESM簇间路由算法实现

4．4 本章小结

第5章 仿真结果及分析

5．1 实验场景参数

5．2 仿真结果与分析

5．2．1 AECRP协议与LEACH协议的分簇效果对比

5．2．2 AECRP协议与LEACH协议的簇间路由算法对比

5．2．3 AECRP协议与LEACH协议的总体性能比较

5．3 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 研究工作总结

6．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文