基于能量均衡的WSN分簇多路径路由算法研究

摘要

随着传感器技术、电子通讯技术与分布式信息处理技术的发展，低功耗、分布式的无线传感器网络（Wireless Sensor Network,WSN）在军事应用、农业生产、医疗监测等领域都有着十分广阔的应用前景。WSN的研究越来越受到国内外研究学者的重视。与传统的计算机网络不同，WSN具有网络无中心设备，传输节点能量受限、计算能力弱的特点。由于WSN传感器节点的部署区域环境复杂，节点安装后更换电池困难，实际应用要求WSN的网络节点能够迅速地自组织形成一个传输可靠、吞吐量大、高效节能的数据分组传输网络。目前改变供能方式（如采用太阳能供电）或降低节点功耗的方案由于受到成本、体积的限制而难以实现，因此研究高效节能的网络路由协议具有十分重要的意义。
　　本文主要在WSN节点随机部署的情况下，从网络拓扑和数据传输两方面开展讨论，研究如何均衡网络能量消耗，提出了一种基于能量均衡的WSN分簇多路径路由算法，取得了一定研究成果，具体研究内容如下：
　　（1）提出了一种基于粒子群优化的WSN分簇路由算法，对经典低功耗自适应聚类层次路由（Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy,LEACH）进行了改进。根据网络情况确定最佳成簇数目，采用改进的粒子群算法对簇头选举过程进行优化，设计了新的适应度函数，综合考虑了簇头节点的剩余能量、簇头到汇聚节点的距离、簇内节点分布等因素。在簇间数据传输方面，为了避免单跳路由造成部分节点过早死亡，采用基于最小能耗的簇间多跳路由方式进行通信。仿真结果表明，该算法可以有效地均衡网络能量的消耗，延长网络生命周期。
　　（2）考虑实际应用中对网络路由稳定性的要求，本文对单路径路由算法进行拓展，提出了一种基于能量优先的多路径路由选择算法。算法在簇间通信时产生多条可选路由，参照历史数据、路由跳数、能量消耗参数、节点剩余能量对每条路由进行能量优先级评价，使源节点每次从历史路由中选择当前最优路由进行通信。仿真实验表明，该算法既能够保证数据传输的稳定性，同时还能均衡每条路径上的节点能量消耗。
　　（3）将前面两章中的分簇路由和多路径路由的研究成果综合应用到异构WSN中。利用分簇优化算法合理部署超级节点，选择超级节点担任簇头，进行簇间多路径路由通信。同时还针对超级节点失效的情况，提出了相应的容错机制。仿真表明，基于能量均衡的WSN分簇多路径路由算法可以优化异构WSN性能。

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第一章 绪 论

1.1 研究目的与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文的主要研究内容和创新点

1.4 论文的章节安排

第二章 WSN的路由协议

2.1 WSN路由协议概述

2.2 WSN路由协议设计的关键问题

2.3 WSN路由协议的设计目标

2.4 WSN路由协议分类

2.5 经典WSN层次路由协议的比较与分析

2.6 无线通信能耗模型

2.7 问题提出

2.8 本章小结

第三章 基于粒子群优化的WSN分簇路由算法

3.1 引 言

3.2 粒子群算法概述

3.3 粒子群算法的改进

3.4 基于粒子群优化的WSN分簇路由算法

3.5 仿真与分析

3.6 本章小结

第四章 基于能量优先的簇间多路径路由选择算法

4.1 引 言

4.2 WSN的相关多路径路由算法

4.3 基于能量优先的多路径路由选择算法

4.4 仿真分析

4.5 本章小结

第五章 异构WSN的分簇多路径路由算法

5.1 引 言

5.2 异构无线传感网络的分簇路由算法

5.3 超级节点失效时的容错算法

5.4 仿真分析

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总 结

6.2 展 望

参考文献

致谢

附录：攻读硕士期间参加的项目及成果