基于智能进化算法的线路传感器网络路由协议研究

摘要

无线传感器网络在军事，环境保护，医疗，家居等许多领域有着十分广阔的应用前景，成为近来研究的热点。通常，无线传感器节点是通过电池驱动的，能量非常有限，因此如何降低网络能量消耗，延长网络生存时间成为WSN研究中的热点，而改善网络通信路由协议则成为解决问题的一个重要途径。本文以无线传感器网络路由协议为研究对象，通过应用高效的最优化算法--智能进化算法来提高路由协议的性能。本论文的研究受到国家自然科学基金(61070043)，浙江省自然科学基金(Y1080374)的资助。
　　 本文的主要创新工作如下：
　　 (1)对典型的分层路由协议PEGASIS进行优化改造。针对其在构建链路中采用简单的贪婪算法的不足，考虑将离散粒子群优化算法应用到协议中用以求解最优的路由链路，提出了基于DPSO的PEGASIS优化算法(DPSO-PEGASIS)。为加快得到最优链路的速度，在DPSO-PEGASIS算法中结合多种启发式算法，同时为了均衡网络能量消耗还改进了簇首选择方法。仿真实验表明，DPSO-PEGASIS算法比PEGASIS协议在20％-80％节点死亡的情况下，生存周期显著提高，首节点死亡时的生存周期比PEGASIS协议提高了近3倍。
　　 (2)在结合PEGASIS协议的链式拓扑与LEACH协议的分簇结构等优点的基础上，应用量子进化算法来求解最优的分簇组链方式，提出了基于量子进化算法的分层多链无线传感器路由算法(HERA)。HERA算法把网络分为多个簇，簇内节点连接为多跳的通讯链路，并用混合量子进化算法来计算最优的拓扑结构，而且还对簇首链路的构建进行优化，改进了簇首选择方法。仿真结果表明HERA算法能显著地延长节点和网络的工作寿命，维持节点能量的均衡性，减少网络时廷，同时在基站变化的情况下也能保持较好的性能。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 无线传感器网络概述

1.2.1 无线传感器网络的结构

1.2.2 无线传感器网络的特征

1.2.3 无线传感器网络协议结构

1.3 进化算法概述

1.4 国内外研究现状

1.4.1 无线传感器网络路由协议的国内外研究现状

1.4.2 粒子群优化算法的国内外研究现状

1.4.3 量子进化算法的国内外研究现状

1.5 研究工作和论文组织

第2章 无线传感器网络路由协议分析

2.1 引言

2.2 无线传感器网络路由协议特点

2.3 路由协议分类

2.4 典型的分层路由协议

2.4.1 LEACH协议

2.4.2 PEGASIS协议

2.5 无线传感器网络面临的问题与挑战

2.6 小结

第3章 基于离散粒子群算法的PEGASIS协议研究

3.1 引言

3.2 相关模型及算法介绍

3.2.1 协议设计目标

3.2.2 算法介绍

3.2.3 网络模型

3.2.4 能耗模型

3.3 粒子群优化算法原理

3.3.1 粒子群算法数学描述

3.3.2 粒子群优化算法的步骤

3.4 基于离散粒子群算法的求解

3.4.1 数学规划模型

3.4.2 编码

3.4.3 离散粒子群算法定义

3.4.4 启发式算法

3.4.5 自逃逸算法

3.4.6 适应度计算

3.4.7 求解步骤

3.4.8 时间复杂度分析

3.5 仿真结果分析

3.5.1 仿真环境

3.5.2 仿真结果分析

3.6 小结

第4章 基于量子进化算法的分层多链无线传感器路由算法研究

4.1 引言

4.2 系统描述

4.2.1 网络模型

4.2.2 能耗模型

4.2.3 算法描述

4.2.4 数学规划模型

4.3 量子进化算法原理

4.3.1 量子计算的基础

4.3.2 量子计算的特征

4.3.3 量子进化算法的基本要素

4.4 基于混合量子进化算法的求解

4.4.1 量子编码

4.4.2 量子门更新

4.4.3 灾变

4.4.4 适应度计算

4.4.5 求解步骤

4.4.6 时间复杂度分析

4.5 簇首选举策略优化

4.6 仿真结果分析

4.6.1 仿真环境

4.6.2 分链数目的确定

4.6.3 性能分析

4.7 小结

第5章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果