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无线传感器网络生命期优化路由协议的研究

作　者: 郭文静
导　师: 张卫
学　校: 华东师范大学
专　业: 计算机应用技术
关键词: 无线传感器网络生命期优化路由协议智能算法增强学习蚁群算法最小开销最大流
分类号: TP212.9
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSNs)是由大量传感器节点通过无线连接构成的自组织网络,节点之间通过协同工作将采集到的信息发送至汇聚节点(Sink)。传感器节点通常依靠电池供电,而且经常部署在环境恶劣和人员不宜到达的场所,一经部署后,电池通常无法更换。能源的有限性给无线传感器网络的技术带来了巨大挑战,延长网络生命期成为了无线传感器网络各类技术的首要目标。由于传感器节点的能耗主要集中在无线通信模块,路由协议的设计显著地影响无线传感器网络的生命期。因此,研究无线传感器网络生命期优化的路由协议具有重要意义。本文围绕生命期优化的路由协议展开研究,从网络中出现第一个死亡节点的时间、网络中出现第一个孤立节点的时间、网络整体的能量有效性三个方面定义无线传感器网络的生命期,并以此作为评估路由协议的性能指标。为达到从多个方面优化网络生命期的目标,本文将人工智能算法运用于无线传感器网络的路由机制。根据应用的不同,无线传感器网络可能由几个到几万个节点组成。因此,本文针对不同的网络场景,分别设计了平面型、层次型和多Sink的生命期优化路由协议。本文的主要研究成果可概括如下：(1)提出基于增强学习的生命期优化的平面路由协议RLLO (Reinforcement-Learning-based Lifetime Optimal routing protocol)。对于规模较小的无线传感器网络,可采用平面路由协议。平面路由协议简单,具有较强的鲁棒性和健壮性,但可扩展性差,适合规模较小的网络场景。RLLO协议利用增强学习算法的优势,可以在所需额外开销较少的情况下不断地优化路由选择。在进行路由选择时,RLLO协议综合考虑了链路距离、节点的剩余能量、节点至Sink节点的跳数等多项因素,以此来尽量减少网络的总能耗并均衡网络中各节点的能耗,且在一定程度上保障数据递交的可靠性。本文通过NS2仿真工具验证了RLLO协议的性能。在众多平面路由协议中,EAR协议在优化网络生命期方面有一定的优势,而I-EAR协议在EAR协议的基础上做了进一步的改进。因此,本文将RLLO协议与这两种协议进行了比较。与EAR协议相比,RLLO协议将网络中出现第一个死亡节点和第一个孤立节点的时间分别延长了48%和45%,将网络整体的能量有效性提高了119%；与I-EAR协议相比,RLLO协议将这三方面的性能分别提高了31%、32%和46%。(2)提出基于蚁群算法的生命期优化的层次路由协议ACLO-PEG (Ant-Colony-based Lifetime Optimal PEGASIS protocol)。层次路由协议可扩展性强,适用于规模相对较大的无线传感器网络。ACLO-PEG协议是一种分层的链式协议。它首先将网络划分为多个区域,将每个区域内的节点构建成一条链,在每轮通信中为每条链选取链头节点,并采用同样的方法将所有的链头节点构建成主链。ACLO-PEG协议中的多链机制解决了单链协议中存在的数据传输可靠性低、时延大等问题,从而可以提高网络成功递交给Sink节点的数据量。并且在网络拓扑发生变化时,ACLO-PEG协议只需要在局部重新构链,降低了路由维护的开销。在构建每条链时,为避免经典链式协议PEGASIS中贪婪算法成链存在的局部优化问题,本文提出了以优化网络整体性能为目标的成链算法ACCH。ACCH算法利用蚁群优化的优势,构建一条整体能耗最小的链,并且在蚂蚁的概率选择、信息素的更新等方面也做了针对性的改进。对于由所有的链头节点形成的主链,ACLO-PEG协议根据链头节点的剩余能量和链头节点到Sink节点的距离选取主链头。除了主链头需要和Sink节点进行直接通信以外,其它节点只需和链上的邻居节点通信。因此,ACLO-PEG协议可以在尽量减少网络总能耗的同时均衡各节点的能量消耗。在层次路由协议中,PEGASIS是经典的链式协议,它的链式结构具有一定的优势。而H-PEGASIS协议则是在PEGASIS协议的基础上采用分层的链式结构,进一步解决了单链结构存在的问题。为了验证ACLO-PEG协议的性能,本文在仿真实验中将ACLO-PEG协议与这两种协议进行了比较。实验结果显示,与PEGASIS协议、H-PEGASIS协议相比,ACLO-PEG协议将网络中第一个节点的死亡时间分别延长了93%、35%,将网络中出现第一个孤立节点的时间分别延长了80%、37%,将网络整体的能量有效性分别提高了28%、20%。(3)提出生命期优化的多Sink路由协议LOMS (Lifetime Optimal routing protocol with Multiple Sinks)。对于大规模无线传感器网络,多Sink架构具有一定的优势,它可以提高网络的稳定性和鲁棒性,使节点的能耗更为均衡。为此,本文提出多Sink路由协议LOMS。LOMS协议主要处理传感器节点和多个Sink节点之间如何建立高效的传输路径。它将数据流分配给多个Sink节点,以此来均衡网络中各节点的能耗。为了提高网络整体的能量有效性,LOMS协议受启于运筹学中的最小开销最大流问题,利用ACSP算法在节点和多个Sink节点之间建立链路开销最少并且可以递交数据量最多的路径。ACSP算法是本文在这部分提出的基于蚁群优化的最短路径算法,用于寻找源节点至特定Sink节点的最优路径。本文将LOMS协议与具有代表性的生命期优化的多Sink路由协议MRMS进行了仿真比较。通过多次实验发现,LOMS协议中Sink节点的最佳数目为4。在这种场景下,LOMS协议比MRMS协议将网络中出现第一个死亡节点和第一个孤立节点的时间延长了59%和48%,将网络整体的能量有效性提高了62%。对于本文所提出的三种路由协议RLLO、ACLO-PEG和LOMS,论文在最后对它们在多种网络场景下的性能进行了测试与比较。实验结果显示,与ACLO-PEG协议和LOMS协议相比,平面路由协议RLLO的扩展性较差。在较小规模的网络场景下, RLLO协议在网络中出现第一个死亡节点、网络中出现第一个孤立节点以及网络整体的能量有效性方面均表现出最优的性能。但是随着网络规模的扩大,RLLO协议的性能不断下降。当网络中节点数目超过400以后,ACLO-PEG协议在网络生命期第一方面的性能最优。然而,当节点数目达到将近600以后,在部署4个Sink节点的网络场景下,LOMS协议在网络生命期的三个方面均表现出明显的优势。因此,平面路由协议RLLO适用于网络规模较小的应用,层次路由协议ACLO-PEG适用于网络规模相对较大且要求节点完全覆盖的应用,而多Sink路由协议LOMS则适用于大规模网络应用。

全文目录

论文摘要  6-8
ABSTRACT  8-13
插图索引  13-14
表格索引  14-15
第1章绪论  15-21
  1.1 研究背景与意义  15-16
  1.2 研究内容及创新成果  16-19
  1.3 文章结构安排  19-21
第2章无线传感器网络路由协议  21-41
  2.1 预备知识  21-25
    2.1.1 无线传感器网络的特点  21-22
    2.1.2 无线传感器网络的能耗模型  22-23
    2.1.3 无线传感器网络生命期的定义  23-25
  2.2 无线传感器网络路由协议的特点  25-26
  2.3 无线传感器网络路由协议的分类及研究现状  26-29
  2.4 无线传感器网络生命期优化路由协议的经典实例  29-39
    2.4.1 平面路由协议  29-33
    2.4.2 层次路由协议  33-36
    2.4.3 协议性能比较  36-39
  2.5 无线传感器网络路由协议需要解决的问题  39
  2.6 本章小结  39-41
第3章基于增强学习的生命期优化的平面路由协议：RLLO  41-61
  3.1 引言  41-42
  3.2 相关研究  42-48
  3.3 RLLO协议  48-54
    3.3.1 协议操作  49-53
    3.3.2 协议分析  53-54
  3.4 仿真实验  54-59
    3.4.1 仿真平台  54-55
    3.4.2 实验设计  55
    3.4.3 实验结果  55-59
  3.5 本章小结  59-61
第4章基于蚁群算法的生命期优化的层次路由协议：ACLO-PEG  61-84
  4.1 引言  61-62
  4.2 相关研究  62-69
    4.2.1 PEGASIS协议的研究现状  62-64
    4.2.2 蚁群算法  64-69
  4.3 ACLO-PEG协议  69-74
    4.3.1 ACCH算法  69-71
    4.3.2 构建多条子链  71-73
    4.3.3 构建主链  73-74
  4.4 仿真实验  74-82
    4.4.1 实验设计  75-76
    4.4.2 实验结果  76-82
  4.5 本章小结  82-84
第5章生命期优化的多Sink路由协议：LOMS  84-104
  5.1 引言  84-85
  5.2 相关研究  85-88
    5.2.1 多Sink路由协议的研究现状  85-86
    5.2.2 运筹学中的最小开销最大流问题  86-88
  5.3 LOMS协议  88-97
    5.3.1 ACSP算法  89-92
    5.3.2 寻找优化路径  92-96
    5.3.3 分配流量  96-97
  5.4 仿真实验  97-102
    5.4.1 实验设计  97-99
    5.4.2 实验结果  99-102
  5.5 本章小结  102-104
第6章协议比较与分析  104-111
  6.1 实验设计  104-105
  6.2 实验结果  105-109
    6.2.1 出现首个死亡节点的时间比较  105-107
    6.2.2 出现首个孤立节点的时间比较  107-108
    6.2.3 能量有效性比较  108-109
  6.3 本章小结  109-111
第7章总结和展望  111-114
  7.1 本文工作总结  111-113
  7.2 进一步研究工作  113-114
参考文献  114-120
后记  120-121
作者简历及攻读博士学位期间取得的科研成果  121

无线传感器网络生命期优化路由协议的研究

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