（计算机系统结构专业论文）基于粒子群优化的无线传感器网络分簇路由协议的研究.pdf

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b a s e dd o u b l ec l u s t e r - h e a d sc l u s t e r i n ga l g o r i t h m 1 2 3 1o v e r v i e w 1 2 3 2d e s c r i p t i o no f p s o 1 3 3 3n e t w o r km o d e la n de n e r g yc o n s u m p t i o nm o d e l 1 4 3 3 1n e t w o r km o d e l 一1 4 3 3 2e n e r g yc o n s u m p t i o nm o d e l 1 5 3 4p s o d h a l g o r i t h m 1 5 3 4 1 f i t n e s sf u n c t i o n 1 6 3 4 2 n l r ha n dv c h 1 7 3 4 3p r o c e s sd e t a i l s 1 7 3 5s i m u l a t i o na n dr e s u l t 1 9 3 5 1s i m u l a t i o ne n v i o r m e n t 1 9 3 5 2r e s u l ta n da n a l y s i s 2 0 3 6s u m m a r y 2 2 c h a p t e r4ab a l a n c e dm i n i m u me n e r g yc o n s u m p t i o na l g o r i t h m 2 4 4 1o v e r v i e w 。：! l 4 2n e t w o r km o d e la n de n e r g yc o n s u m p t i o nm o d e l 2 4 4 2 1n e t w o r km o d e l 2 4 i i i 。：皇鼍鼍鼍，! 皇曼詈詈型占童三茎耋耋堡呈圭三耋篁垒璧耋圣，! ，曼，。! ，。詈一 4 2 2e n e r g yc o n s u m p t i o nm o d e l 2 5 4 3b m e ca l g o r i t h m 2 5 4 3 1i d e a l i z e dm e cr o u t 2 5 4 3 2i d e a l i z e dn e x t h o pr e l a yn o d e 2 6 4 3 3a c t u a lr o u t 2 7 4 3 4r e a l i z a t i o no f b m e ca l g o r i t h m 2 9 4 4s i m u l a t i o na n dr e s u l t 3 0 4 4 1s i m u l a t i o ne n v i o r m e n t 3 0 4 4 2r e s u l ta n da n a l y s i s 3 0 4 5s u m m a r y 3 3 c h a p t e r5a p s ob a s e dc l u s t e r i n gr o u t i n gp r o t o c o lf o rw s n 3 5 5 1o v e r v i e w 3 5 5 2s i m u l a t i o na n dr e s u l t 3 5 5 2 1s i m u l a t i o ne n v i o r m e n t 3 5 5 2 2r e s u l ta n da n a l y s i s 3 5 5 3s u m m a r y 3 7 c h a p t e r6s u m m a r ya n de x p e c t a t i o n 3 9 r e f e r e n c e s 4 1 a c k n o w l e d g e m e n t 4 6 p u b l i s h e da c a d e m i cp a p e r s 4 7 i v i l 矗 一 ， 山东大学硕士学位论文 摘要 无线传感器网络涉及众多学科，是目前i t 领域中的研究热点，并具有广泛 的应用前景。由于无线传感器网络节点的能量、处理能力、存储能力、通信能力 等都十分有限，能源的高效使用就成为无线传感器网络路由设计的首要目标。大 规模的无线传感器网络一般都采用层次型路由协议来减少能量消耗。本文主要针 对无线传感器网络的基于分簇的层次型路由协议进行探讨。相比与降低单个节点 的能量消耗，能量高效的无线传感器网络路由协议也必须重视能量在网络范围内 的均衡消耗。采用粒子群优化算法优化分簇路由协议中的簇头选择和路径选择， 既可以减少能量消耗，也能是能耗更加均衡。 本文是在对无线传感器网络的分簇路由协议分析研究的基础上，对已有的协 议进行改进，提出一种新的能量均衡高效的分簇路由协议。 首先提出了基于粒子群优化的双簇头分簇算法( p s o b a s e dd o u b l e c l u s t e r - h e a d sc l u s t e r i n ga l g o r i t h m ，p s o d h ) 。粒子群优化算法具有简单、有效、 收敛快的特性，可以为能量、处理能力、存储能力都有限的无线传感器网络所用。 基于粒子群优化的双簇头分簇算法首先利用粒子群优化算法来优化簇头的选择， 使所选择的簇头节点具有较高的能量而且与其他簇内节点之间的距离尽量小，以 此来达到减少能量消耗的效果；并通过采用双簇头策略，利用副簇头负责与汇聚 节点的通信，使簇头能耗在主副簇头间分散开，进一步做到能耗均衡，达到延长 网络生命周期的效果。仿真实验结果表明这个算法与l e a c h 算法相比可明显延 长网络生命周期，具有较高的优越性。 其次对能量高效路由算法进行了探讨。无线传感器能量高效的路由协议不仅 仅单个节点的能量消耗要小，更重要的是整个网络能量的均衡消耗。针对这一要 求提出能耗均衡的最小能耗路由算法( b a l a n c e dm i n i m u me n e r g yc o n s u m p t i o n a l g o r i t h m ，b m e c ) ，通过节点的位置和剩余能量两方面的信息来确定多跳路径 中实际中继节点的选择，得到总能量消耗小且能耗均衡的路径。仿真结果表明这 个算法所得到的路径，虽然网络的总体能量消耗比最小能耗路由算法要稍多一 些，但是因为它的能耗分布比较均衡，整体网络的生命周期要比最小能耗路由算 法延长接近3 0 ，具有较高的能量效率。 山东大学硕士学位论文 最后，针对大规模无线传感器网络，提出了基于粒子群优化的无线传感器网 络分簇路由协议( p s o b a s e dc l u s t e r i n gr o u t i n gp r o t o c o lf o rw s n ，p s o - c r ) 。该 协议综合前面的两个算法采用了分簇算法和多跳路由，分为两个阶段：簇的建立 阶段和数据通信阶段。在簇的建立阶段采用基于p s o 的无线传感器网络双簇头 分簇算法( p s o d h ) 选择主、副簇头。在数据通信阶段副簇头根据第四章中的 能耗均衡的最小能耗路由算法( b c ) 选择路径，将数据通过多跳传送给s i n k 节点。该协议可以使得网络中的节点比较均衡地消耗能量。通过仿真证明，基于 粒子群优化的无线传感器网络分簇路由协议( p s o c r ) 具有能量均衡高效的特 点，有较好的性能。 关键字：无线传感器网络：分簇路由协议；粒子群优化算法；能耗均衡；最 小能耗路由 i i _ - ， 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki n v o l v em a n yd i s c i p l i n e s ，a n di so n eo fh o tr e s e a r c h a r e a so fi t i ti s w i d e l yu s e di no u rl i f e t h ee n e r g y , p r o c e s s i n gp o w e r , s t o r a g e c a p a c i t y , a n dc o m m u n i c a t i o nc a p a c i t yo fn o d e si nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ka r ea l l v e r yl i m i t e d s o ，i ti sv e r yi m p o r tf o rw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r kt oh a v ear o u t i n g p r o t o c o lw h i c hh a sh i 【g he n e r g ye f f i c i e n c y t h el a r g e s c a l ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s g e n e r a l l yu s eh i e r a r c h i c a lr o u t i n gp r o t o c o lt or e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o n i nt h i s p a p e r , w ed i s c u s sh i e r a r c h i c a lr o u t i n gp r o t o c 0 1 a ne n e r g ye f f i c i e n tr o u t i n gp r o t o c o l i nw s ns h o u l dt oh a v es m a l le n e r g yc o n s u m p t i o no fe v e r yn o d e ，a n dw h a ti sm o r e i m p o r t a n t ；i tm u s tb a l a n c et h ee n e r g yc o n s u m p t i o ni nt h ew h o l en e t w o r k o p t i m i z e s t h es e l e c t i o no fc l u s t e rh e a d sa n dr o u t i n gb yp s o ，i tw i l lh a v eas m a l la n db a l a n c e d e n e 唧c o n s u m p t m n w er e s e a r c hs o m ec l u s t e r i n gr o u t i n gp r o t o c o l s ，a n dm a d es o m ei m p r o v e m e n t i n t h i sp a p e r , w ep r e s e n tan e we n e r g ye f f i c i e n ta n db a l a n c e dc l u s t e r i n gr o u t i n gp r o t o c 0 1 f i r s to fa l l ，w ep r e s e n tap s o - b a s e dd o u b l ec l u s t e r - h e a d sc l u s t e r i n ga l g o r i t h mf o r w s n p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o na l g o r i t h mi ss i m p l e ，e f f e c t i v ea n df a s t ，s oi tc a nb e u s e di nw s n i nt h i sa l g o r i t h m , w eo p t i m i z et h ec l u s t e r i n ga l g o r i t h mb yp s o w e c h o o s et h en o d e sw h i c hh a v eah i g h e re n e r g ya n dh a v eas m a l l e rd i s t a n c et ot h o s e n o d e si nt h es a m ec l u s t e r a n dw ea l s oc h o o s ean o d et ob et h ev i c ec l u s t e rh e a dt o c o m m u n i c a t e 、航n ls i n k t h i sw i l lb a l a n c et h ee n e r g yc o n s u m p t i o nt h r o u g ht h ew h o l e n e t w o r k ，a n dw i l lh a v eal o n g e rl i f e t i m e t h er e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o wt h a tt h e l i f e t i m eh a sb e e ne x t e n d e do b v i o u s l yc o n t r a s t 、i ml e a c h t h e n ，w es t u d yt h er o u t i n ga l g o r i t h mw i t hh i i g he n e r g ye f f i c i e n c y r o u t i n g p r o t o c o li nw s ns h o u l dt oh a v es m a l le n e r g yc o n s u m p t i o no fe v e r yn o d e ，w h a ti s m o r ei m p o r t a n t ；t h ee n e r g yc o n s u m p t i o ns h o u l db eb a l a n c e di nt h ew h o l en e t w o r k a c c o r d i n gt ot h i s ，t h i sp a p e rp r e s e n t sab a l a n c e dm i n i m u me n e r g yc o n s u m p t i o n a l g o r i t h m i tc h o o s e st h er e l a yn o d e sb yt h ei n f o r m a t i o no fb o t ht h el o c a t i o na n dt h e e n e r g y i tc a ng e tar o u tw i t hs m a l la n db a l a n c e de n e r g yc o n s u m p t i o n t h er e s u l t so f i l l 山东大学硕士学位论文 s i m u l a t i o ns h o wt h a tt h o u g ht h et o t a le n e r g yc o n s u m p t i o ni sal i t t l el a r g e r , i th a sa l o n g e rl i f e t i m e t h el i f e t i m eh a sb e e ne x t e n d e da b o u t30 c o n t r a s t 、7 v i lm e c a tl a s t ，t h i sp a p e ra d v a n c eap s ob a s e dc l u s t e r i n gm u t i n gp r o t o c o lf o rw s n t h i sp r o t o c o lc o n s o l i d a t e dt h ep r e v i o u st w oa l g o r i t h m s ，a n di th a st w op h a s e s ：t h ep h a s eo f c l u s t e re s t a b l i s h m e n ta n dd a t ac o m m u n i c a t i o np h a s e i nc l u s t e re s t a b l i s h m e mp h a s e ，i tu s e dt h e p s o - d ha l g o r i t h mt os e l e c tc l u s t e rh e a d sb o t hm a i na n dv i c e i nd a t ac o m m u n i c a t i o n p h a s e ，t h ev i c ec l u s t e rh e a ds e l e c tr o u tb yt h eb m e ca l g o r i t h mi nc h a p t e r4 t h ed a t a p a c k e tw i l lt r a n s m i tt ot h es i n kt h r o u g hm u l t i - h o pr o u t i n g t h i sp r o t o c o lc a n b a l a n c et h ee n e r g y c o n s u m p t i o ne f f e c t i v e l y t h er e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o wt h a tt h ep s o - c rp r o t o c o lh a s b a l a n c e dh i s he n e r g ye f f i c i e n c y , a n dc a ne x t e n dt h en e t w o r kl i f e t i m e s o ，i th a sa g r e a tp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ；c l u s t e r i n gr o u t i n gp r o t o c o l ；p s o ； e n e r g yb a l a n c e d ；m i n i m u me n e r g yc o n s u m p t i o n i v i 产 息，并发送给监测者【l 】。无线自组织传感器网络的概念最早是1 9 9 8 年在美国先 进国防研究项目局( d a r p a ) 的一个研究项目中提出的【2 】。随着传感器技术、现 代微电子技术、片上系统( s o c ) 、无线通信技术、计算机网络技术等的不断提高 以及i n t e m e t 技术的迅速发展，现代意义上的无线传感器网络随之产生，并在几 十年的时间内有了长足进步，无线传感器网络所具有的应用潜力及其商业价值也 开始受到各国政府和学者的广泛关注。2 0 0 3 年2 月，美国的m i t 技术评论 杂志把无线传感器网络看作是改变世界的十大新兴技术之首【3 】。无线传感器网 络和塑料电子学以及仿生人体器官一起被称为全球未来的三大高科技产业。 无线传感器网络将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，改 变了人类与自然界的交互方式【l 】。无线传感器网络可以广泛应用于人们的生活， 在军事、环境监测和预报、城市交通、医疗监护等领域具有广阔的应用前景，其 使用价值已经受到高度重视。美国是无线传感器网络应用的开拓者和创始人，2 0 世纪9 0 年代美国就开始了传感器网络的研究工作，并首先将其在军事领域应用 和推广。2 0 0 3 上半年各种传感设备的无线连接接口标准i e e e p l 4 5 1 5 就被制定 出来【4 】。我国对无线传感器网络的发展和应用也非常重视，现代意义上的无线 传感器网络以及应用研究几乎与西方国家同时开始。2 0 0 6 年发布的国家中长 期科学与技术发展规划纲要( 2 0 0 6 2 0 2 0 ) 非常重视无线传感器网络的研究和应 用。在国家发改委提出的下一代互联网示范工程中，也对无线传感器网络课题进 行了重要部署。另外，我国的很多科研机构和院校也较早开展了无线传感器网络 的研究，并取得了一定的成果。 1 2 研究内容和意义 无线传感器网络的研究是一个综合的系统，其研究领域十分复杂，涉及多个 山东大学硕士学位论文 相互交叉的学科。目前该领域还存在很多关键问题制约其大规模应用，如拓扑控 制、网络各层协议、信息安全、数据融合等。现在，大多数对无线传感器网络的 研究集中在两个层面，节点层面和网络层面。节点层面主要对传感器技术、低功 耗芯片技术、无线通信技术 5 】等进行研究，侧重于设计小型化的节点硬件设备， ! t l l w l n s 6 和s m a r td u s t 等。网络层面则是对网络各层协议和相关技术的研究， 侧重于网络层和链路层，如路由协议、m a c 协议、时钟同步【7 】、数据融合【8 】 等。 本文主要针对无线传感器网络的路由协议进行探讨。路由协议的功能是将 数据分组从源节点通过网络发送到目的节点，它的作用包括两个方面，一是寻找 源节点和目的节点间的路径，二是沿着路径转发数据分组。无线传感器网络与传 统网络有很多不同之处，因此传统网络的路由协议并不适用于无线传感器网络。 传感器网络是由多个传感器节点组成，传感器节点具有电源能量、处理能力、存 储能力和通信能力都十分有限的特点。另外，针对于传感器网络的实际应用而言， 网络很容易受到环境干扰和节点故障等问题的影响。在这中间，传感器节点电源 能量有限而且一般情况下不可补充是最主要的限制条件，能源的高效使用也就成 为无线传感器网络的首要设计目标。采用能量有效路由协议是提高无线传感器网 络能量有效性的重要途径，其中层次型路由协议因其具有明显的能效优势，所以 在大规模的无线传感器网络中有广泛应用。 本文的主要工作是在对无线传感器网络的分簇路由协议分析研究的基础上， 对已有的协议进行改进，提出一种新的能量高效的分簇路由协议。 首先在分析l e a c h 算法的基础上，针对l e a g h 分簇簇头随机性造成的网络 能耗不均衡的问题提出了基于p s o 的双簇头分簇算法( p s o d h ) 。该算法利用粒 子群优化算法来优化簇头的选择，以此来达到减少能量消耗的效果。并通过采用 双簇头的策略进一步做到能耗均衡，达到延长网络生命周期的效果。通过仿真实 验对该算法与l e a c h 算法和其改进算法加以比较，结果表明这个算法与l e a c h 算法相比可延长网络生命周期达5 0 以上，就有较高的优越性。 其次对能量高效路由算法进行了探讨，提出了一个从源节点到s i n k 节点多 跳路径选择的方法。无线传感器路由协议不仅仅单个节点的能量消耗要小，更重 要的是整个网络能量的均衡消耗。已有的最小能耗路径在选择路径是没有考虑到 路径上节点的剩余能量问题，因此容易造成网络能耗不均匀，部分区域出现无法 2 一 ， 山东大学硕士学位论文 覆盖的现象。针对这一问题提出能耗均衡的最小能耗路由算法( b 姬c ) ，通过 节点的位置和剩余能量两方面的信息来确定实际中继节点的选择，得到总能量消 耗小且能耗均衡的路径。仿真结果表明这个算法所得到的路径可以使得网络的总 体能量消耗较小而且能耗分布比较均衡，能有效延长网络生命周期，具有较高的 能量效率。 最后，针对大规模无线传感器网络，提出了基于粒子群优化的无线传感器网 络分簇路由协议( p s o c r ) 。该协议是一个能量高效的层次型路由协议，分为两 个阶段：簇的建立阶段和数据通信阶段。簇的建立阶段采用基于p s o 的无线传 感器网络双簇头分簇算法( p s o d h ) 选择主、副簇头。主簇头收集簇内节点的 信息并进行数据融合，然后将融合后的数据发送给副簇头，由副簇头负责转发。 数据通信阶段，副簇头根据能耗均衡的最小能耗路由算法( b c ) 选择路径， 将数据通过多跳传送给s i n k 节点。该协议可以使得网络中的节点比较均衡地消 耗能量。通过对该协议与其他协议的仿真比较，证明该协议在降低总体网络能耗 和均衡能耗方面都具有较高的性能。 1 3 论文组织 本论文共有六章，具体的组织结构如下： 第一章首先介绍本文的选题背景，简要概述了无线传感器发展现状并提出 本文的主要研究内容和组织结构。 第二章分别对无线传感器网络路由协议的特点、设计要求和分类进行简单 概述，重点对无线传感器网络分层路由协议的特点进行分析并介绍了几个经典的 层次型路由协议。 第三章针对无线传感器网络经典分簇协议l e a c h 中簇头随机选择的不足 之处，利用简单、有效的粒子群优化算法，提出基于粒子群优化的双簇头分簇路 由算法p s 0 d h 。 第四章简单介绍最小能耗路由算法，并针对最小能耗路由算法在整体网络 范围内的能量消耗不均衡的问题，综合考虑节点能量和位置信息提出了能耗均衡 的最小能耗路由算法b 砸c 。 第五章综合p s 0 d h 分簇算法和b m e c 路由算法，提出了基于粒子群优化 的无线传感器网络分簇路由协议p s 0 c r 。 山东大学硕士学位论文 第六章对全文进行总结介绍本文所提出算法的特点、优势及不足之处，并 对今后的工作进行展望提出可供改进的地方。 4 4 - 山东大学硕士学位论文 第二章无线传感器网络路由协议 ， 2 1w s n 路由协议概述 路由协议在无线传感器网络中具有的核心地位，从路由角度看，由于传感器 节点能量有限，且只能获得局部拓扑信息，无线传感器网络具有很多既不同于传 统网络又不同于移动自组织网络的自身特点【9 】。首先，对于无线传感器网络路 由协议来说，比起单个节点的能量消耗更加注重整个网络能量的均衡消耗。这是 因为如果能量不能在网络中均衡消耗，那么很容易出现某些节点能量耗尽而过早 死亡的现象，可能会使网络部分区域无法覆盖。所以一个优化的路由协议既要降 低网络的整体能量消耗，又要尽量在节点间均衡能量消耗，这样才能达到网络生 命周期最大化的目的。另外，传感器网络的路由协议是以数据为中心的，这与传 统网络以地址为中心的路由方式是完全不同的。传感器网络路由协议是以数据为 中心建立数据源到汇聚节点的路径。最后，传感器网络具有很强的应用相关性， 不同应用中的路由协议可能差别很大，因此针对不同的应用需要设计不同的路由 协议。此外，传感器网络的路由协议通常会与数据融合技术一起使用，通过压缩 数据量来减少通信量从而达到节省能量的目的。因此，传统的路由协议不适应于 无线传感器网络，无线传感器网络有其自身的特点。 针对上述的无线传感器网络路由协议特点，在路由协议的具体设计中需要注 意以下几点【l 】： 1 能量高效性：传感器网络协议选择的路径不仅要具有较小的数据传输能耗， 更要从网络整体出发，使整个网络能量能均衡消耗。 2 简单性：传感器节点的运算能力和存储能力等都十分有限却要承担数据收集 和数据传输的双重任务，因此传感器网络的路由协议的设计必须考虑到节点 资源的有限性，要求协议的报文和算法尽量简单有效。 3 可扩展性：传感器网络工作的环境往往是不可预估的，节点位置变化，节点 失效或者新节点加入等情况经常会发生，这些都会使得网络拓扑结构发生动 态变化，因此要求路由协议具有可扩展性。 4 鲁棒性：无线传感器网络具有很多不可靠的因素，如节点能量耗尽或者是其 他因素造成的传感器节点失效，无线链路的通信质量受到周围环境的影响而 山东大学硕士学位论文 无法保证以及无线链路本身可能具有的缺点等，这就要求无线传感器网络路 由协议具有一定的容错能力，具有很好的鲁棒性。 5 快速收敛性：传感器节点的能量以及传感器网络通信带宽等资源有限是传感 器网络的限制特点。为适应适应网络拓扑结构的动态变化，减少通信协议开 销，提高消息传输的效率，要求传感器网络路由协议能够快速收敛。 2 2 路由协议分类 根据路由结构和路由策略，可以将传感器网络中的路由协议分为平面型路由 协议和层次型路由协议两种。传感器网络路由协议大都采用多跳的形式在节点和 s i n k 之间建立数据传输路径。传统网络和a d h o c 网络中已有的路由协议一般都不 适合传感器网络的特点和要求。大部分传感器网络的节点是固定的，因此频繁地 更新路由表信息是没有必要的 1 0 】。 在平面路由协议中，传感器网络的各节点身份是平等的。它们都具有相同的 功能，节点或者将自己的监测到的事件结果主动报告给其他节点，或者是其他节 i 点向监测事件的节点发出查询信息。节点以对等方式完成路由的建立、维护和数 据传输。平面路由对于规模比较小的网络还是适用的，但是随着节点数量的增加、 网络规模的扩大，平面路由协议会出现大量的数据冗余，导致能量效率降低。常 见的平面路由协议有f l o o d i n g 1 1 、g o s s i p i n g 1 2 、d d ( d i r e c t e dd i f f u s i o n ) 1 3 、 s p i n ( s e n s o rp r o t o c o lf o ri n f o r m a t i o nv i an e g o t i a t i o n ) 【1 4 】、s a r ( s e q u e n t i a l a s s i g n m e n tr o u t i n g ) 1 5 等。 层次型路由协议也就是以分簇为基础的路由协议。协议将网络划分为相连的 区域即簇。网络中的节点按功能可以被分为簇内成员节点和簇头节点两种，簇内 节点负责监测周围环境的信息，采集感兴趣的数据，然后将数据发送到所在簇的 簇头节点。而簇头节点负责对本簇的簇内成员节点进行管理，为每个簇内节点分 配时间槽，收集簇内节点的信息然后发送到汇聚节点，簇头节点还负责对所收集 到的数据进行数据融合。由于簇头节点对数据进行了融合，数据通信量大大减少， 另外大部分节点只需在自己的时间槽内唤醒，其他相当长的时间内可以关闭通信 一