能量高效的无线传感器网络分簇路由算法研究

摘要

物联网是通过信息传感设备，按约定的协议实现人与物、物与物全面互联的网络，是继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮。作为物联网的感知层，无线传感器网络通过部署大量微型传感器节点协作地完成实时感知、监测和采集各种环境或监测对象的任务，采用多跳自组织方式将信息传送到汇聚节点，并最终到达用户终端。因此，无线传感器网络实现了信息世界与现实世界的融合，正在改变着人与自然交互的方式。
　　 目前无线传感器网络还面临着许多问题，其中能量受限问题已经成为传感器网络研究的瓶颈，节点采用硬件措施降低能耗的方法受到元器件制约，基于软件的路由算法更适应节能这一发展趋势。随着节点数量和网络规模的不断扩展，传统的平面型网络结构已经不再适应，需要通过采用分簇结构的方式来延长网络生命周期，本文主要研究无线传感器网络分簇控制路由算法。
　　 在构建两种不同网络模型的基础上提出了3种分簇算法，并对其进行了深入研究。
　　 (1)、自适应非线性递减惯性权重的粒子群优化分簇路由算法
　　 构建了同构的网络模型，提出了一种适用于同构网络的自适应非线性递减惯性权重的粒子群优化分簇路由算法。从能量有效性和均衡性出发，确定了根据簇头平均剩余能量、簇内节点能量距离和簇头到汇聚节点的最大欧氏距离三种因素优化簇头的方法，引入了自适应非线性递减惯性权重来平衡局部和全局搜索能力。研究表明，该方法有效地均衡了网络能耗，提高了网络的生命周期。
　　 (2)、基于权值的异构网络非均匀分簇控制算法
　　 构建了异构的网络模型，提出了适用于异构网络的基于权值的非均匀分簇路由算法。在簇头选举时，综合考虑了节点剩余能量、当选簇头次数、与汇聚节点的距离、节点密集程度和节点消耗的能量5个因素，采用层次分析法计算权系数大小，避免了人为确定系数导致的不合理，最后将选取权值小的节点作为簇头；提出了非均匀簇的成簇思想，保护了距离汇聚节点近的簇头；提出了引入能量阈值进行簇头轮换的思想，从而降低了频繁选举簇头带来的不必要的能耗。仿真结果显示：能量异构节点的引入和簇头的优化明显改善了网络传输性能并提高了网络生命周期。
　　 (3)、基于异构网络的接力簇传输双簇头安全分簇控制算法
　　 为了适应大规模部署的网络中可能出现受到攻击的情况，提出了一种接力簇传输的双簇头安全分簇控制算法。主簇头在簇内收集数据，成员节点根据成簇代价公式加入，辅助簇头按照接力簇的形式传输数据，同时增加了通过簇密钥和簇间密钥来加密数据传输的安全措施。研究表明，此方案适用于节点分布密集的大规模网络，并且在一定程度上加强了协议的安全性。