一种移动WSN中基于分簇的蚁群多路径路由算法

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3.0 陈辉 2024-11-19 9 4 1.38MB 43 页 15积分

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摘要

目前对于无线传感器网络的路由协议的研究主要是围绕静态无线传感器网络

展开的。由于移动无线传感器网络中节点的移动容易引起网络拓扑结构变化，以

及路由的中断或失效，所以人们提出的大部分路由协议不能应用到移动无线传感

器网络中。基于此，我们提出了一种移动无线传感器网路中基于分簇的蚁群多路

径路由算法。

新算法的研究思路是将复杂问题分解成一个个小的问题。本文引用了一种基

于分簇思想的移动无线传感器网络模型。模型的显著特点是将网络分成了两层，

其中底层由可移动节点组成，上面一层是由部署的固定节点构成。这样问题就分

解成了两个子问题，即网络的底层和上层分别如何进行数据传输的问题。对于底

层，本文对移动节点先进行分簇，然后传递数据。各移动节点首先选取距离其最

近的固定节点形成一个簇，然后固定节点从簇内选取剩余能量高于簇内节点平均

能量且距离其最近的移动节点作为簇头节点。传递数据时，移动节点先将数据传

递给簇头，然后簇头再将数据传递给固定节点。对于固定节点这一层的数据传输

就转变成了节点都是静态理想条件下的无线传感器网络的路由传输了。针对这一

层，本文提出了一种蚁群多路径路由算法。固定节点收集完簇内的数据后，将数

据包分成N块小的数据包，然后向基站sink节点传递过去。这N块数据包就像一个个

“人工蚂蚁”，在启发素和信息素的指引下向基站以多路径的方式传递过去。这

里的启发素计算以节点的剩余能量作为重要参考因子。由于信息素的积累和挥发

效果，在剩余能量水平较高节点所组成的路径上，传递的数据也要多些，这样也

就均衡了能量的消耗，延长了网络的使用寿命。新算法中还加入了一种信息确认

机制，用以提高网络数据传输的可靠性。

为了验证新算法的性能，本文将新算法与移动无线传感网络中比较出名的

LEACH-M 算法作了网络的寿命和数据传递成功率方面的仿真实验分析比较。本

文采用的仿真软件是 NS2，仿真表明，新算法提高了网络的使用寿命同时也提高

了数据传递的成功率。

关键词：无线传感器网络分簇移动 WSN 蚁群算法多路径

ABSTRACT

At present, the study on the routing protocol of WSN (wireless sensor network)

was around the static WSN (sensor nodes are fixed). As the movement of nodes in

MWSN (mobile wireless sensor network) can easily lead to changes of network

topology and routing path breaks or fails, therefore, most routing protocols of static

WSN can not be applied to MWSN. So, we proposed a multi-path routing protocol on

ACO (ant colony optimization) which are based on cluster distinguish in MWSN.

The main idea of the new protocol is to break down a complex problem into small

ones. This article introduces a MWSN model which was designed based on the

clustering technology. The distinguishing feature of this model is that it has the effect

to separate the network into two parts. The one part of the net is consists of mobile

nodes and the other is consists of fixed nodes. Therefore, the routing problem of the

MWSN is broken down into two sub-problems, the data transferring problems in the

mobile nodes layer and the fixed nodes layer. To the mobile nodes layer, we use the

clustering technology to separate the mobile nodes into clusters, and the nodes whose

energy is larger then the average of the clusters and closer to the reference fixed nodes

are selected to be the head nodes. So, clusters are formed. And when in data

transferring, common nodes transfer sensed data to cluster head and cluster head

transfer the merged data to the nearest reference fixed node in each cluster. To the data

transfer problem of fixed nodes, it is the same like the traditional routing problem of

WSN. As fixed nodes are running in the whole process of data transferring, so its

energy consumes very quickly. To solve this problem, we proposed a multi-path

routing algorithm based on ant colony optimization (ACO) in this article. In this

algorithm: data can be transferred on different paths by the effect of pheromone on the

paths and heuristic in the nodes to improve the transmission efficiency and balance

nodes’ energy consumption; there is also an information verification mechanism to

increase the reliability of data transmission.

In order to verify the performance of the new algorithm, we had compared it with

LEACH-M which is usually the object to be compared with in the routing protocol

research of MWSN by the simulation soft of NS2. We had mainly compared two

algorithms in two aspects: the life of network and the data transfer success rate. The

results of the simulation are: the new algorithm improves the network life and elevate

the reliability of the data transmission.

Key words：wireless sensor network, mobile WSN, ACO, clustering，

multi-path

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .....................................................................................................................1

§1.1 无线传感器网络概述 ...........................................................................................1

§1.1.1 网络体系结构 ................................................................................................1

§1.1.2 无线传感器节点结构 ....................................................................................2

§1.1.3 无线传感器网络的应用 ................................................................................2

§1.1.4 国内外研究情况 ............................................................................................3

§1.2 课题背景与研究意义 ........................................................................................... 5

§1.3 主要工作和创新点 ...............................................................................................6

§1.4 本文各章节安排 ................................................................................................... 8

第二章理论基础 .............................................................................................................9

§2.1 移动无线传感器的网络模型 ...............................................................................9

§2.1.1 移动传感器节点能耗模型 ............................................................................9

§2.1.2 传感器节点感知模型 ..................................................................................10

§2.1.3 传感器节点移动模型 ..................................................................................11

§2.1.4 基于固定节点参考的移动无线传感器网络模型 .......................................12

§2.2 蚁群算法概述 .....................................................................................................14

§2.2.1 算法的基本原理 ...........................................................................................14

§2.2.2 蚁群算法应用于 WSN 的应用优势 ............................................................16

§2.3 NS2 与网络仿真 ................................................................................................. 16

§2.3.1 NS2 仿真软件介绍 ........................................................................................ 16

§2.3.2 NS2 使用方法 ................................................................................................ 16

§2.4 本章小结 .............................................................................................................17

第三章无线传感器网络中基于蚁群的多路径路由算法（MPACO）.....................18

§3.1 引言 .....................................................................................................................18

§3.2 算法设计的基本思想 ........................................................................................ 19

§3.3 蚁群优化步骤 .................................................................................................... 20

§3.4 协议执行步骤 .....................................................................................................21

§3.4.1 数据包传输 ..................................................................................................21

§3.4.2 信息确认机制 ..............................................................................................23

§3.4.3 邻居节点的能量水平信息 ..........................................................................24

§3.5 算法仿真实验与分析 .........................................................................................24

§3.5.1 仿真环境及参数 ...........................................................................................24

§3.5.2 仿真结果与分析 ...........................................................................................24

§3.6 本章小结 ............................................................................................................. 25

第四章移动 WSN 中基于分簇的蚁群多路径路由 .......................................................26

§4.1 算法设计的基本思想 .........................................................................................26

§4.2 算法实现的主要技术 .........................................................................................26

§4.2.1 簇的形成 ......................................................................................................27

§4.2.2 簇头选举 ......................................................................................................28

§4.2.3 数据传输 ......................................................................................................29

§4.3 协议执行步骤 .................................................................................................... 31

§4.4 算法仿真分析 .....................................................................................................32

§4.4.1 仿真参数设置 ..............................................................................................32

§4.4.2 仿真结果分析 ..............................................................................................33

§4.5 本章小结 .............................................................................................................34

第五章总结与展望 .......................................................................................................35

§5.1 结论 .....................................................................................................................35

§5.2 展望 .....................................................................................................................36

参考文献 .........................................................................................................................37

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................40

致谢 .............................................................................................................................41

第一章绪论

§1.1 无线传感器网络概述

由于微机电系统（micro electro mechanical systems,MEMS）、无线通信和数字

电子电路技术的飞速发展，使得制造廉价、能耗小、小尺寸并且能在短距离内进

行无线通信的多功能传感器节点成为可能。随着传感器节点功能不断增强，基于

大量传感器节点的无线传感器网络（wireless sensor network, WSN）应运而生[1]。

文献[2]中对无线传感器网络是这样定义的：无线传感器网络是由部署在监测

区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线的方式形成的一个多跳的组织

网络系统，其目的是协作地感知对象的信息并发送给观察者。这样无线传感器网

络就将物理世界，计算机世界以及人类社会巧妙的联系起来。正是无线传感器网

络本身的这个特点使得其具有着十分广阔的应用前景，并且被公认为是对 21 世纪

产生巨大影响力的技术之一。

§1.1.1 网络体系结构

无线传感器网络的体系结构如图 1-1 所示，大量的传感器节点通过飞机布撒

或人工布置等方式，大量部署在被感知对象内部或者附近。由于传感器节点是由

电池供电的，它的无线通信距离较短，只能与小范围内的相邻节点交换数据信息，

不能将监测到的数据信息直接传递给汇聚节点（sink node），因此，传感器节点在

监测到周边的环境信息后采取多跳的传输方式将监测的数据传递给汇聚节点，然

后再将实时监测到的数据传递给用户（user）。

基站 Sink 节点

Internet

用户

Sensor nodes

Sensor fileds

图1-1 无线传感器网络的体系结构图

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摘要：

摘要目前对于无线传感器网络的路由协议的研究主要是围绕静态无线传感器网络展开的。由于移动无线传感器网络中节点的移动容易引起网络拓扑结构变化，以及路由的中断或失效，所以人们提出的大部分路由协议不能应用到移动无线传感器网络中。基于此，我们提出了一种移动无线传感器网路中基于分簇的蚁群多路径路由算法。新算法的研究思路是将复杂问题分解成一个个小的问题。本文引用了一种基于分簇思想的移动无线传感器网络模型。模型的显著特点是将网络分成了两层，其中底层由可移动节点组成，上面一层是由部署的固定节点构成。这样问题就分解成了两个子问题，即网络的底层和上层分别如何进行数据传输的问题。对于底层，本文对移动节点先进行分簇，然...

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