基于蚁群算法的无线传感器网络路由优化研究

摘要

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)一般是指由传感器节点组成的多跳自组织网络，节点彼此之间以无线通信的方式交流。节点的特点是体积小、功耗低。目前已经广泛的应用在军事、智能交通、医疗卫生和环境监测等领域。传感器节点本身的能量有限和通信能力弱是WSN路由算法研究的核心内容。
　　WSN路由算法是指传感器节点根据需要把数据分组的从源节点转发到目的节点。本文首先介绍了WSN的结构、特征和协议栈模型，并对WSN的几种路由算法进行了对比分析，提出了以蚁群算法为数学模型的路由问题解决方法。针对基本蚁群算法收敛时间长且容易陷入局部最优解的问题，本文从信息素更新策略，能耗策略和转移概率策略三个方面进行了改进，并在MATLAB中对改进的算法进行仿真分析。仿真结果表明改进的蚁群算法能有效的寻找到最优路径，并且收敛速度较快，节点的能耗也较低。
　　在软件仿真的基础上，本文以现场可编辑门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)为控制核心设计出一种基于改进蚁群算法的硬件实现。各个功能模块设计完成后，对整个系统进行了功能仿真。结果表明基于FPGA的改进蚁群算法运行速度更快，工程实践意义明显。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 课题的国内外研究现状

1．2．1 路由算法的发展

1．2．2 路由算法的分类

1．3 蚁群算法的改进

1．4 本文研究的内容及结构

2 WSN路由算法简介

2．1 WSN概述

2．1．1 结构及节点特征

2．1．2 协议栈

2．2 WSN路由算法介绍

2．2．1 平面路由算法

2．2．2 分簇路由算法

2．3 WSN路由算法的分析对比

2．4 本章小结

3 基于蚁群算法的WSN路由算法

3．1 蚁群算法概述

3．1．1 蚁群的行为描述

3．1．2 蚁群算法的机制原理

3．1．3 基本蚁群算法的数学模型

3．1．4 基本蚁群算法的实现步骤

3．2 基于改进蚁群算法的WSN路由算法

3．2．1 能耗模型

3．2．2 转移概率模型

3．2．3 信息素更新策略

3．3 本章小结

4 仿真结果和分析

4．1 实验模型及相关参数的设定

4．2 仿真结果及分析

4．3 本章小结

5 改进蚁群算法的FPGA实现

5．1 蚁群算法硬件的主要特点

5．2 FPGA简述

5．2．1 FPGA的基本结构

5．2．2 FPGA最小系统的设计

5．3 基于改进蚁群算法的WSN路由优化器的硬件系统设计

5．4 改进蚁群算法各模块在FPGA上的设计与实现

5．4．1 控制模块的设计

5．4．2 存储器模块的设计

5．4．3 随机数模块的设计

5．4．4 下一步节点集查找模块设计

5．4．5 下一步节点选择模块设计

5．4．6 状态更新模块的设计

5．4．7 信息素更新模块的设计

5．4．8 最优路径选择模块设计

5．5 结果分析

5．6 本章小结

6 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 工作展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果