基于能量均衡的水声通信自组网路由算法研究

摘要

随着我国海洋强军战略的部署，海洋的开发、保护和利用变得越来越重要。水声自组网在海洋环境下的数据采集，矿产资源的勘探和海洋信息传输等方面发挥着至关重要的作用。由于水声自组网所用的传感器节点能量有限、不易更换，信号传播介质也与陆地无线网络不同，因此基于电磁波的陆地无线网络协议不能直接用于基于声波传播的水声自组网。为此，本文以水声自组网为研究对象，重点研究网络层中基于能量的路由协议算法，利用蚁群算法对路由协议算法进行改进，实现节点能量均衡、网络生存时间延长的目的。本文主要研究工作如下： 首先，结合水声通信网络特性和水声信道特性，建立了水声通信网络的多跳式拓扑结构能耗模型。然后，针对选择的按需矢量路由协议（Ad hoc On-demand Distance Vector, AODV），引入能量预警值对其进行改进。只有当节点的能量满足预警值设定条件时，该节点才能作为路由的下一跳节点。通过对节点剩余能量、收发比、死亡节点数和生存时间四个指标的仿真分析发现，基于能量改进的AODV 路由协议有更高的剩余能量、更少的死亡节点数以及更长的生存时间。但是此算法较传统的AODV路由协议连接性较差。在此基础上，引入蚁群算法，当信息启发因子α为0.05，期望启发因子β等于3.5时，改进后协议在能量均衡和连接性方面表现更好。在不同的能量预警值下，基于蚁群算法改进后的AODV路由协议工作时第一个死亡节点出现的时间较改进前延迟了67秒到136秒不等；当仿真时间结束时，蚁群算法改进后的协议产生的死亡节点数比改进前降低了 4 个到10个不等，收发比提高了50.3%到71.2%不等。 最后，在基于CC2538的无线传感器搭建的五节点网络平台上，用nesC语言实现了路由算法，验证了组网的寻径和多跳功能。同时，以Aqua-sim为仿真平台，对本文实现的三个算法进行了性能对比分析。仿真结果表明：基于蚁群算法改进的AODV路由协议在均衡能耗、降低死节点数和延长网络生存时间等方面优于能量AODV路由协议和传统AODV路由协议。

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