基于粒子群分簇算法的WSN节能路由协议的研究与实现

【摘要】：无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)是一种涉及无线通信、微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)、片上系统(System on Chip,SOC)和低能耗嵌入式技术等多学科的全新的信息获取平台,通常用于实时监测网络区域中的各类监测对象的信息,并将采集后的数据发送到汇聚节点。 无线传感器网络是由大量小型、廉价、低能量的传感器节点组成,网络部署区域通常较复杂,节点一经部署后就不便更换电池,另外改变提供能量的方式(如采用太阳能)或降低功耗都因受到成本、体积等限制而难以实现,所以可行的节能方法是改进网络路由协议和优化拓扑结构。 本文提出基于粒子群分簇算法的WSN节能路由协议,主要是从以下两个方面进行研究。第一,网络节点分簇是一种优化网络划分的NP问题,粒子群算法可以有效地解决这个问题,但是粒子群算法的收敛速度较慢,为此本文引入一种对各个粒子不同维度使用不同权重的策略,加速粒子群算法收敛速度,在改进后的粒子群算法的基础上结合节点剩余能量、簇内分布和簇间分布的因素,提出一种粒子群分簇算法。第二,为了避免簇头节点到汇聚节点的远距离通信,结合多跳的特点,本文设计一种单跳与多跳相结合的簇间路由算法,并使用“阈值检测”机制减轻靠近汇聚节点的簇头负载,有效的降低靠近汇聚节点的簇头能耗。最后将基于改进的粒子群分簇算法与簇间路由算法结合起来,形成一种自适应节能聚簇路由协议(Adaptive energy-efficient Cluster-Routing Protocol),简称AECRP。 本文详细阐述了AECRP分簇路由协议,并在OMNeT++网络仿真平台上对AECRP协议和LEACH协议在同一场景下进行多组仿真对比实验。结果表明,该分簇路由协议在牺牲可接受的收敛速度的前提下,不仅均衡整体网络能量的使用、延迟节点的死亡时间,同时可以提供更可靠的数据交付,可以向汇聚节点发送更多的数据。 【关键词】：无线传感器网络 LEACH协议 粒子群算法 多跳
【学位授予单位】：东北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TP212.9;TN929.5
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 目录8-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 无线传感器网络(WSN)概述10-13
• 1.1.1 无线传感器网络体系结构10-11
• 1.1.2 无线传感器网络的特点11-12
• 1.1.3 无线传感器网络的国内外研究现状12-13
• 1.2 本文研究意义和研究内容13-14
• 1.3 论文的组织结构14-16
• 第2章 无线传感器网络路由协议16-28
• 2.1 无线传感器网络路由协议概述16-19
• 2.1.1 无线传感器网络路由协议设计的关键问题17-18
• 2.1.2 无线传感器网络路由协议的设计目标18-19
• 2.2 无线传感器网络路由协议分类19-20
• 2.3 经典无线传感器网络层次路由协议的比较与分析20-24
• 2.4 无线通信能耗模型24-25
• 2.5 问题的提出25-26
• 2.6 本章小结26-28
• 第3章 基于PSO分簇算法和簇间多跳的WSN节能路由协议28-54
• 3.1 粒子群优化算法及改进28-35
• 3.1.1 PSO算法的数学描述29-30
• 3.1.2 PSO算法流程30-31
• 3.1.3 PSO-DA算法设计31-35
• 3.2 AECRP路由协议总体设计35-36
• 3.3 AECRP分簇算法设计36-46
• 3.3.1 基于PSO-DA选簇算法设计37-41
• 3.3.2 基于PSO-DA选簇算法流程41-42
• 3.3.3 自组织成簇过程42-45
• 3.3.4 AECRP协议中簇的最优个数45-46
• 3.4 AECRP簇间路由算法设计46-52
• 3.4.1 单跳与多跳相结合的簇间路由算法设计48-50
• 3.4.2 LESM簇间路由50-52
• 3.4.3 “能量热点”问题解决方案52
• 3.5 本章小结52-54
• 第4章 基于OMNeT++平台的节能路由协议的仿真实现54-68
• 4.1 OMNeT++平台介绍54-55
• 4.2 OMNeT++仿真过程55-56
• 4.3 仿真实现56-67
• 4.3.1 创建仿真模型57-60
• 4.3.2 消息仿真处理60-61
• 4.3.3 AECRP分簇阶段实现61-65
• 4.3.4 LESM簇间路由算法实现65-67
• 4.4 本章小结67-68
• 第5章 仿真结果及分析68-76
• 5.1 实验场景参数68-69
• 5.2 仿真结果与分析69-75
• 5.2.1 AECRP协议与LEACH协议的分簇效果对比69-71
• 5.2.2 AECRP协议与LEACH协议的簇间路由算法对比71-72
• 5.2.3 AECRP协议与LEACH协议的总体性能比较72-75
• 5.3 本章小结75-76
• 第6章 总结与展望76-78
• 6.1 研究工作总结76-77
• 6.2 研究展望77-78
• 参考文献78-82
• 致谢82-84
• 攻读硕士期间发表的论文84

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