无线传感器网络节能分簇路由协议研究

发布时间：2020-04-02 12:59

【摘要】：无线传感器网络(WSN)是一类无线自组织网络,由空间自主分布的传感器节点组成。用于监测不同区域的物理或环境信息,如温度、声音、压力等。目前无线传感器网络广泛应用于民用和军事的目标跟踪和监视,同时在自然灾害监测、生物医学应用、动物栖息地监测和建筑管理系统中也发挥着重要作用。其核心WSN节点是能量受限的感知通信设备,通常无法更换电池。因此,能源利用效率是WSN研究中的一个重要问题,设计节能协议对于延长传感器的寿命至关重要。在WSN路由中,分簇路由依靠其拓扑易管理、数据易融合、能量利用率高等优点,成为当前重点研究的节能路由技术。本文针对不同规模的网络,进行不同的分簇节能路由协议研究,主要工作内容有:1.介绍WSN的组成结构,探讨WSN路由协议的设计要求和各类路由协议的特点,分析网络耗能因素和应用方向。并且对当前国内外研究的节能分簇路由协议进行学习,重点研究智能优化算法与分簇结合的路由协议,并归纳出各类分布式非均匀分簇路由协议的适应性和优缺点,为节能路由协议的研究提供思路和方向。2.针对小型分簇网络中因簇首选择因素较多导致网络难以成簇的问题,设计一种基于非线性收敛鲸鱼优化算法和阈值控制的WSN分簇路由协议NWOA-CT(Nonlinear Convergence Whale optimization algorithm and threshold control clustering routing protocol)。该算法针对簇首通信能耗,设计簇首选择的目标函数,通过改进鲸鱼优化算法(WOA)的收敛因子和收缩概率,得到非线性收敛因子的NWOA算法;利用NWOA算法选出剩余能量较高、通信成本更低的簇首;最后设置新分簇的能量阈值Thv,减少簇首替换的次数,降低分簇能耗。实验结果表明:相比于LEACH、LEACH-C、PSO-C和WOA-C协议,所提出的NWOA-CT协议能够有效降低网络能耗,优化网络性能,延长网络生命周期。3.针对中大型分簇网络中节点通信负载不平衡造成能量消耗过快的问题,设计一种多目标决策的WSN节能分簇路由协议EMOC(energy-saving multi-object decision clustering routing protocol)。协议考虑节点剩余能量、邻居节点数目和节点与基站距离等因素,将网络非均匀分簇,并采用一种分布式多目标决策方法为簇首选择最佳中继节点,建立簇间通信路径;在簇内通信阶段,增加软阈值ERROR,减少无用信息的输入量,降低簇内节点通信能耗。实验仿真结果表明,该协议能有效均衡网络负载,提高网络的节能性,延长网络工作时间。
【图文】：

示意图,座头鲸,示意图

沿着圆形路径创造典型的气泡，并在狩猎期间环绕猎物。简单地说，泡泡网狩猎行为可以描述座头鲸以近似 12 米的速度向下俯冲，然后围绕猎物以螺旋形状形成气泡，然后沿着气泡向上游动。图4.3 为座头鲸泡泡捕食法示意图。图 4.3 座头鲸捕食示意图3．鲸鱼算法原理及求解模型与其他元启发式算法[55]一样，鲸鱼算法存在局部搜索算法和随机算法，并将这两种算法进行自适应结合。WOA 主要涉及两个阶段：开发和探索。探索是指在全部变量范围内搜索最优解，而开发则是局部范围内进行搜索。开发阶段指的是算法在满足约束条件下并于可能存在最优解的区域内展开搜索，不断更新已知的最优可行解。开发阶段主要的工作是在固定的区域内不断收缩搜索空间，逐步逼近最优可行解，从而得到局部最优解。另一方面，探索指的是算法进行随机搜索，不断扩大搜索空间区域，，以发现其他存在但还未被发现的可行最优解。探索阶段的主要作用是加强搜索的多样化，以增强算法的全局寻优性，防止算法陷入局部最优。WOA 算法预定义数量为 S 的鲸鱼种群
【学位授予单位】：江西理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212.9;TN929.5

【参考文献】