面向智能配用电的无线传感器网络路由优化协议研究

摘要

智能电网作为现代电网建设的目标和方向，其实现离不开一个现代化的电力通信网。传统的电力通信网不能满足日益复杂的多样化电力通信业务需求。无线传感器网络具有低成本、低功耗、自组织、灵活性、可靠性及可扩展性强的特点，其在智能配用电网中的应用正逐渐成为国内外研究的热点。为智能配用电提供可靠的通信技术保障，采用无线传感器网络进行以光纤和宽带接入为主的配用电通信网的补充和延伸是必不可少的，通过对其承载的通信业务进行分析并对网络架构中关键技术路由协议的优化设计展开研究具有重要的意义。在上述背景下，本文研究了在引入无线传感器网络作为智能配用电通信网必要的补充与延伸的应用背景下，针对不用应用及通信业务QoS需求提出相应的路由优化协议，为多种业务在智能配用电通信网中的传输提供可靠的服务质量保证。
　　智能配用电通信业务的QoS保证是采用无线传感器网络组建通信网的一个基本问题，涉及到节点感知信息、网络传输质量、能量消耗需求、网络覆盖质量和网络服务时间等各个方面的内容。其中，网络传输质量的一个关键问题是数据路由方式的选择问题，它担负着如何将业务数据实时可靠地从源节点传送到目的节点的任务。针对该问题本文从三个方面来研究，一方面是研究源节点和目的节点之间基于链式拓扑结构的路由建立机制，一方面是研究多路径路由下一跳节点选择的能量优化问题，另一方面是研究基于拥塞控制的路由优化协议，主要工作如下:
　　研究和分析了智能配用电网对通信网络的要求、所承载通信业务的特征以及其QoS需求，并在此基础上分析了在智能配用电馈线监测和用电信息采集作为典型应用背景下的路由方式选择问题，为下一步结合无线传感器网络的特征对该应用背景下的无线传感器网络路由优化协议进行研究奠定了基础。
　　针对智能配用电网馈线监测环境下无线传感器网络的拓扑特点，提出一种基于链式拓扑结构的改进路由协议，该协议采用新方法建链，并在选取链首节点时采用加权法，即为每个节点分配一个权值用来表示它适合担任链首的程度，其同时考虑节点当前能量与节点到基站的距离两个关键因素以提高能量有效性及能耗均衡性。其次，由于权重系数的确定主观性过强，不能从客观角度反映无线传感器网络链式路由算法中评价指标与链首选取的关系。在选取链首时，为了使评价指标权重的确定更加合理，提出了一种基于三角膜融合算子的链式路由优化协议，该协议以节点剩余能量与节点到基站的距离两个特征参量为依据建立隶属度函数，利用三角模融合算子进行融合判决，根据判决结果选取链首。在提高链首节点选取的准确性和合理性的同时，更进一步平衡节点能耗并延长网络最大生命周期。
　　智能配用电网具有通信终端节点数量大和通信节点分散等特点，而且在无线传感器网络中，无论是电池供电还是从所在环境中取得供应能量，由于传感器节点尺寸的限制，其能量供应极其有限，因此为了满足多个源节点海量数据传输需求，需要采用合理的节能路由协议来实现数据包的多跳传输。为了进一步优化路由对于能量均衡高效使用的改善问题，提出一种基于改进雷达图法的无线传感器网络路由协议，该协议进行路由下一跳节点选择时，综合考虑节点剩余能量、节点到基站距离及邻居节点之间距离三个因素，构建基于改进后雷达图法的备选节点评价模型，由备选节点的评价值判断并确定下一跳节点。此外，考虑到无线传感器网络中现有节能路由存在方法单一、自适应动态调整能力不足等问题，在上述研究基础上，提出一种协议将下一跳节点选择转换为一个多属性优化问题，首先利用经典物理学中的势能概念创建一个混合虚拟势能场，然后采用混沌遗传算法解决势能场权重优化问题，使数据包在势能场所产生联合力的驱使下转发至下一跳节点并最终到达汇聚节点。
　　具有集中式流量特性的无线传感器网络容易出现拥塞，影响智能配用电信息采集业务的服务质量。针对该问题，提出一种路由协议综合考虑节点缓存队列长度、节点到基站距离、节点与邻节点之间距离和节点剩余能量四个影响WSN网络性能的重要因素，建立相应的虚拟势能场并采用混沌免疫算法对各个势能场权重值进行优化，最后根据混合势能场的值完成多条优化路径的建立。此外，提出一种基于融合判决的拥塞控制路由协议，该协议以前向传播邻居节点的缓存队列长度、剩余能量和到基站距离三个特征参量为依据建立隶属度函数，对其进行融合判决并根据判决结果选择下一跳节点。
　　全文的工作围绕面向智能配用电网的WSN路由优化问题展开，根据智能配用电通信网络不同应用背景下的业务QoS需求，提出了具有针对性的路由优化协议，并通过仿真实验的方法验证了协议的有效性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 无线传感器网络路由协议的研究现状

1．2．1 无线传感器网络路由设计的特点

1．2．2 无线传感器网络路由协议设计的挑战

1．2．3 无线传感器网络路由协议

1．3 智能配用电通信技术的研究现状

1．4 本文的主要研究内容和及创新点

1．5 本文的组织结构

第2章 智能配用电通信业务及路由方式现状分析

2．1 引言

2．2 智能配用电通信业务分析

2．3 智能配用电通信业务路由方式分析

2．4 本章小结

第3章 基于链式拓扑的路由协议

3．1 引言

3．2 基于链式拓扑的改进路由协议

3．2．1 系统模型和问题描述

3．2．2 算法描述

3．2．3 性能仿真及分析

3．3 基于三角模算子的链式路由协议

3．3．1 链的建立

3．3．2 链首选取

3．3．3 数据传输

3．3．4 性能仿真及分析

3．4 本章小结

第4章 基于能量优化的路由协议

4．1 引言

4．2 基于雷达图的能量优化路由协议

4．2．1 网络模型及能量模型

4．2．2 算法描述

4．2．3 性能仿真及分析

4．3 基于多属性决策的高效节能路由协议

4．3．1 网络模型与问题描述

4．3．2 基于混沌遗传优化的节能路由

4．3．3 虚拟势能场的建立

4．3．4 势能场权重的优化

4．3．5 仿真结果及分析

4．4 本章小结

第5章 基于拥塞控制的路由协议

5．1 引言

5．2 基于混沌免疫的拥塞控制路由协议

5．2．1 算法描述

5．2．2 虚拟势能场的建立

5．2．3 势能场权重的优化

5．2．4 仿真结果及分析

5．3 基于融合判决的拥塞控制路由协议

5．3．1 系统模型及问题描述

5．3．2 算法描述

5．3．3 仿真结果及分析

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

作者简介