基于蚁群算法的无线传感器网络LEACH路由算法研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 861.22KB 52 页 15积分

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摘要

无线传感器网络（WSN ,wireless sensor network）是由大量传感器节点通

过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统，通过智能传感器节点感知和

收集各种信息,对其进行分析处理,从而实现远程目标监控，是集信息采集、信息

处理、信息传输于一体的综合智能信息系统。由于无线传感器网络节点能量、计

算能力和存储能力都非常有限, 尤其是能量的受限, 它决定了网络的设计需要较

好的路由协议来实现能量的优化。本文主要对LEACH 算法中簇头节点划分不均，

簇头节点与Sink节点直接通信的问题进行研究，提出了一种基于蚁群算法（Ant

Colony Algorithm）的无线传感器网络路由算法。

该改进算法将蚁群算法引入到无线传感器网络中，与路由协议 LEACH 相结

合，将节点剩余能量作为选择簇头的一个重要衡量标准,使剩余能量较多的节点成

为簇头，然后以簇头为开始节点,sink 节点作为最终节点,运行蚁群算法,实现簇

头节点间的多跳路由,找到由簇头到sink 节点的最佳路径，形成新的路由优化算

法。最后，本文利用NS2 仿真工具对该改进算法进行了仿真。通过对仿真结果的

分析，表明与LEACH 算法相比，该改进算法更能节省节点能量，延长网络生存周

期，且对较大规模的网络环境具有更强的实用性。

关键词：无线传感器网络 LEACH 路由协议簇头节点蚁群算法

ABSTRACT

Wireless sensor network （WSN）is a large number of sensor nodes, which form a

multi-hop's self-organizing network system through wireless communication. The

intelligent sensor nodes sense and collect all kinds of information, analysis and process

them in order to achieve long-range target monitoring. It is an intelligent information

system of processing and transmission.

Since the energy, computing power and storage capacity of wireless sensor network

node are very limited, particularly in energy-constrained, it determines the need for

better design of the network routing protocol to achieve energy optimization. This paper

proposed an ant-colony routing algorithm for wireless sensor network.

The improved algorithm introduced the idea of ant colony algorithm into wireless

sensor networks, and combined the LEACH protocol. The algorithm selected the

cluster-heads based on energy, so that the nodes remaining more energy became cluster

head, and then ran the ant colony algorithm from the cluster-head to the final node,

achieved multi-hop routing between nodes, and found the best path to form a new

routing optimization algorithm between the cluster-head and the final node.

Finally, the paper used NS2 to simulate the improved algorithm. Simulation results

show that, compared with the LEACH algorithm, the improved algorithm has better

performance in energy consumption and extend the network life cycle, and have a

stronger practical for larger-scale network environment.

Keyword: Wireless Sensor Network, LEACH, Routing Protocol,

Cluster-head, Ant Colony Algorithm

中文摘要

ABSTRACT

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

§1.1 课题背景...........................................................................................................1

§1.2 关键技术研究...................................................................................................3

§1.3 研究目的和意义...............................................................................................4

§1.4 本文各章节安排...............................................................................................5

第二章无线传感器网络概述.......................................................................................6

§2.1 无线传感器网络体系结构...............................................................................6

§2.2 无线传感器网络节点结构...............................................................................7

§2.3 无线传感器网络协议体系结构.......................................................................8

§2.4 无线传感器网络特点及应用...........................................................................9

§2.4.1 无线传感器网络特点.............................................................................9

§2.4.2 无线传感器网络应用...........................................................................11

第三章无线传感器网络路由协议研究.......................................................................13

§3.1 路由协议特点和分类.....................................................................................13

§3.2 平面路由协议.................................................................................................15

§3.3 分层路由协议.................................................................................................19

§3.4 网络路由协议比较.........................................................................................22

§3.5 LEACH 协议问题描述 ............................................................................... 23

第四章蚁群算法及在 WSN 中的应用 ........................................................................25

§4.1 蚁群算法原理.................................................................................................25

§4.2 蚁群算法特点和应用优势.............................................................................26

第五章基于蚁群算法的 LEACH 算法实现 ............................................................... 30

§5.1 引言.................................................................................................................30

§5.2 基于蚁群算法的 LEACH 算法物理条件 .................................................... 31

§5.2.1 无线通信模型.......................................................................................31

§5.2.2 网络模型...............................................................................................32

§5.3 算法的基本思想.............................................................................................32

§5.4 算法的实现.....................................................................................................34

§5.4.1 簇的形成阶段.......................................................................................34

§5.4.2 簇的稳定阶段.......................................................................................34

§5.4.3 路由算法维护.......................................................................................36

第六章算法仿真实验与结果分析...............................................................................37

§6.1 实验环境.........................................................................................................37

§6.2 仿真实验过程.................................................................................................38

§6.3 路由仿真实现..................................................................................................39

§6.3.1 网络场景设置.......................................................................................39

§6.3.2 仿真参数选择.......................................................................................40

§6.3.3 收集仿真结果数据...............................................................................40

§6.4 算法的性能评价.............................................................................................40

§6.4.1 仿真结果分析.......................................................................................41

第七章总结与展望.......................................................................................................44

参考文献.........................................................................................................................46

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................49

致谢...............................................................................................................................50

第一章绪论

§1.1 课题背景

无线传感器网络[1]（Wireless sensor network ,WSN）是目前国际上非常关注的

一项技术，是新兴的多学科高度交叉的前沿领域研究重点。它是一个无基础设施

的无线网络，由部署在该地区的廉价大量微型传感器节点组成，节点由电池供电，

通过无线通信，形成一个多跳的自组织网络系统。它结合了传感器技术，嵌入式

计算技术，分布式信息处理技术和无线通信技术，进行合作，实时监控，检测范

围内环境或监测对象的信息和处理数据，获得详尽的地区分布信息和收集网络准

确的信息，发送给需要这些资料的用户。自二十世纪九十年代以来，无线传感器

网络以飞快的速度向前发展着，改变着世界的事物，在世界发达国家，各种新技

术的无线传感器网络和各方面工作的应用研究正在积极的展开，无线传感器网络

是导致新技术革命的趋势。由于无线传感器网络节点数目庞大、密集分布灵活，

自组织网络等网络特性奠定了网络中心战的基础，在未来的电子信息领域有广阔

的应用前景。

中国无线传感器网络的应用和它的现代意义与发达国家基本一致，1999年第

一次正式露面，中科院《知识创新工程试点工作的研究》在“信息与自动化研究

在外地的报告”中提出这一研究领域[1]，是5个重大项目之一。随着深入的研究，

知识创新工程在2001年成立了微系统研究和开发中心。清华大学，北京工业大学，

哈尔滨工业大学在中国已经进行了传感器网络的研究，许多大学和研究机构也在

研究这个领域。作为一个新兴的技术，我们研究的无线传感器网络，与国际标准

还有一定的差距，开展这一领域的研究对领先全国科学技术研究有着重要影响，

对人类的未来将具有重要战略意义，对经济发展产生深远的影响。由于技术和其

他方面的限制，大规模的无线传感器网络的商业应用将需要一些时间，但近年来，

随着微处理器成本不断下降，处理器的体积越来越小，已开始了无线传感器网络

大量的投入使用。可以得出，无线传感器网络的广泛应用是必然趋势，它将给人

类社会带来巨大的变化。

无线传感器网络与传统的无线网络（如WLAN 和蜂窝移动电话网络）有着不同

的设计目标[2]，后者在高度移动的环境中通过优化路由和资源管理策略最大化带宽

的利用率，同时为用户提供一定的服务质量保证。在无线传感器网络中，除了少

数节点需要移动以外，大部分节点都是静止的。因为它们通常运行在人们无法接

基于蚁群算法的无线传感器网络 LEACH 路由算法研究

近的恶劣甚至危险的远程环境中，能源无法更换，设计有效的策略延长网络的生

命周期成为无线传感器网络的核心问题。这些决定了无线传感器网络协议栈各层

的设计都必须以能源有效性为首要的设计要素。虽然从理论上说,可以靠太阳能电

池持久地为传感器节点补充能源，但在实际生产中这种微型化的电池还有很大的

难度。

在研究无线传感器网络的初期,人们曾经只是认为：Ad-hoc路由机制加上成熟

的Internet 技术对传感器网络的设计是足够可用的，但经过深入的研究发现: 传

统无线网络与传感器网络有着明显不同的技术要求，前者以传输数据为重点，后

者以数据为重点[4]。自组织的Ad-hoc 网络协议和算法未必适合传感器网络的特点

和应用要求，例如节点标识（如地址等）的作用在传感器网络中就显得不是十分

重要，因为应用程序不怎么关心单个节点上的信息，中间节点上与具体应用相关

的数据处理、融合和缓存显得很有必要。在密集性的传感器网络中，相邻节点间

的距离非常短，低功耗的多跳通信模式节省功耗，同时增加了通信的隐蔽性，也

避免了长距离的无线通信易受外界噪声干扰的影响。为了适应广泛的应用程序,传

统网络的设计遵循着“端到端”的边缘论思想[5]：强调将一切与功能相关的处理都

放在网络的端系统上，中间节点仅仅负责数据分组的转发，对于传感器网络，这

未必是一种合理的选择，这些独特的要求和制约因素为传感器网络的研究提出了

新的技术问题。

无线传感器网络与现有的传统无线通信网络、无线自组织网络（Ad hoc）以

及计算机网络等之间均存在着差异。其特殊性在于：（1）传感器节点数量大、随

机分布、密度较大；（2）网络拓扑结构随时间动态变化；（3）节点设备供电电

源能量有限、生命周期短。

因此，在现有无线通信网络中研究和使用的追求高速率，高服务质量保证

（Qos）的技术不能直接应用于无线传感器网络中，需要研究新的技术，以保证

实现无线传感器网络能量消耗最小化、网络节点生命周期最大化、网络能量负载

均衡化以及网络通信能力最优化的目标。针对无线传感器网络的诸多特点，目前

围绕这一领域的研究内容很多，主要可分为节点层面和网络层面两大部分，在节

点层面的研究内容主要包括传感器技术、低功耗芯片技术、无线通信技术等，网

络层面的研究内容主要包括低能耗路由协议技术，低能耗MAC协议、协同定位技术、

时钟同步技术、数据融合技术等，由于如何有效的节约节点的能耗是无线传感器

网络中的一个重要问题，而且任何网络都离不开路由协议，所以本课题重点研究

无线传感器网络中低能耗的路由协议技术。

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摘要无线传感器网络（WSN,wirelesssensornetwork）是由大量传感器节点通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织网络系统，通过智能传感器节点感知和收集各种信息,对其进行分析处理,从而实现远程目标监控，是集信息采集、信息处理、信息传输于一体的综合智能信息系统。由于无线传感器网络节点能量、计算能力和存储能力都非常有限,尤其是能量的受限,它决定了网络的设计需要较好的路由协议来实现能量的优化。本文主要对LEACH算法中簇头节点划分不均，簇头节点与Sink节点直接通信的问题进行研究，提出了一种基于蚁群算法（AntColonyAlgorithm）的无线传感器网络路由算法。该改进算法将蚁群算...

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