基于果蝇算法的无线传感器网络路由算法研究

发布时间：2020-04-05 05:26

【摘要】：作为信息技术三大支柱之一,无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSNs)由于在部署成本、网络功耗、用途多样性上具有无可比拟的优势,因而在环境检测、医疗保健、军事监控、工业数据采样等诸多领域获得了广泛应用。5G标准的提出以及工业4.0时代的到来更是给无线传感器网络的发展带来了新的机遇。但是由于传感器节点本身自带电源容量有限,而且恶劣的部署环境会给传感器节点的能量补给工作带来巨大的难度,因此能量受限问题成为制约其进一步发展的主要因素,如何提高WSNs的能量利用效率成为当前科学界、工业界亟待解决的问题。在此背景下,本文围绕WSNs网络路由算法展开研究,通过对基础果蝇算法的改进以及对基于果蝇算法的无线传感器网络路由优化算法的研究,以实现WSNs低能耗、高效率的数据传输目标,具体内容如下:(1)基础果蝇算法改进。首先研究了基础果蝇算法参数对于最优路径的影响,并针对算法本身存在的易于陷入局部最优、后期收敛速度缓慢、固定步长所导致的搜索不准确、搜索稳定性弱等问题提出了一种基于Logistic混沌理论的递减步长的果蝇优化算法。仿真结果表明,在求解工程设计优化问题上,相比于标准果蝇算法,本文提出的改进型果蝇算法寻优精度更高、更稳定。(2)基于果蝇算法的无线传感器路由算法优化。首先,针对WSNs传统路由协议中数据报文传输路径过长以及节点负载均衡的问题,提出了一种综合考虑能量、距离、搜索角度的无线传感器路由优化算法。该算法将上文基于Logistic混沌理论的递减步长的果蝇优化算法与传统路由协议相融合,从而在整个搜索过程中综合考虑节点位置、剩余能量、传输距离以及传输角度等因素,同时引入了调控因子,以进一步保证节点的负载均衡。然后,针对传统路由协议容易出现的“热点问题”,即“路由空洞”和“热点路径”问题,提出了规避路由空洞策略,引入了节点规避机制以及向前飞行可行域概念以解决处于“热点路径”节点的能量过早枯竭问题。仿真实验表明相对于传统平面路由协议算法,本文提出的无线传感器路由协议优化算法延长了无线传感器网络的生命周期,实现了网络节点间的负载均衡,解决了传统路由协议能量空洞问题,可以满足实际工程应用中对路由协议的要求并具有良好的通用性。
【图文】：

[20]。图1.1 传感器网络结构图作为传感器节点最基本的功能单元，普通节点由五个功能模块组成，具体如图 1.2所示。其中处理模块是核心模块，负责对信息的路由转发和调度，，数据融合和安全传输，通常无线路由算法的优化在此模块进行研究[21]。在整个网络结构中，能量模块是无线传感器网络的基础模块。整个无线传感器的节点都由自带的电源提供能量，受节

[23]。图1.2 无线传感器节点结构图1.1.2 无线传感器网络能耗特点WSNs 通信路由协议分为四层，依次为物理层、链路层、网络层、传输应用层[24]。网络中能量损耗集中体现在链路层、网络层、传输层。链路层主要负责将数据包形成帧，对帧进行检测同时控制网络差错。MAC 协议帧头不包含有效的数据信息时，数据传输过程存在能量消耗。同时通信路径中存在信道共享、数据包竞争、因路径冲突需暴露和隐藏等终端问题，此过程中造成网络中较大一部分能量损耗[25]。网络层主要负责对数据报文的路由转发，基于无线传感器网络结构特性，普通节点无法与网关节点直接通信，源节点需要将数据报文通过中间节点的多跳路由转发到汇聚节点。整个网络能量的消耗主要集中在节点转发协调过程中，路由协议算法的节能优化主要考虑此网络层的能耗。传输层主要控制对数据的传输
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212.9;TN929.5;TP18

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本文编号：2614607