發(fā)布時(shí)間：2020-04-05 05:26

【摘要】：作為信息技術(shù)三大支柱之一,無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks,WSNs)由于在部署成本、網(wǎng)絡(luò)功耗、用途多樣性上具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì),因而在環(huán)境檢測(cè)、醫(yī)療保健、軍事監(jiān)控、工業(yè)數(shù)據(jù)采樣等諸多領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。5G標(biāo)準(zhǔn)的提出以及工業(yè)4.0時(shí)代的到來(lái)更是給無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展帶來(lái)了新的機(jī)遇。但是由于傳感器節(jié)點(diǎn)本身自帶電源容量有限,而且惡劣的部署環(huán)境會(huì)給傳感器節(jié)點(diǎn)的能量補(bǔ)給工作帶來(lái)巨大的難度,因此能量受限問(wèn)題成為制約其進(jìn)一步發(fā)展的主要因素,如何提高WSNs的能量利用效率成為當(dāng)前科學(xué)界、工業(yè)界亟待解決的問(wèn)題。在此背景下,本文圍繞WSNs網(wǎng)絡(luò)路由算法展開(kāi)研究,通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)果蠅算法的改進(jìn)以及對(duì)基于果蠅算法的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)路由優(yōu)化算法的研究,以實(shí)現(xiàn)WSNs低能耗、高效率的數(shù)據(jù)傳輸目標(biāo),具體內(nèi)容如下:(1)基礎(chǔ)果蠅算法改進(jìn)。首先研究了基礎(chǔ)果蠅算法參數(shù)對(duì)于最優(yōu)路徑的影響,并針對(duì)算法本身存在的易于陷入局部最優(yōu)、后期收斂速度緩慢、固定步長(zhǎng)所導(dǎo)致的搜索不準(zhǔn)確、搜索穩(wěn)定性弱等問(wèn)題提出了一種基于Logistic混沌理論的遞減步長(zhǎng)的果蠅優(yōu)化算法。仿真結(jié)果表明,在求解工程設(shè)計(jì)優(yōu)化問(wèn)題上,相比于標(biāo)準(zhǔn)果蠅算法,本文提出的改進(jìn)型果蠅算法尋優(yōu)精度更高、更穩(wěn)定。(2)基于果蠅算法的無(wú)線(xiàn)傳感器路由算法優(yōu)化。首先,針對(duì)WSNs傳統(tǒng)路由協(xié)議中數(shù)據(jù)報(bào)文傳輸路徑過(guò)長(zhǎng)以及節(jié)點(diǎn)負(fù)載均衡的問(wèn)題,提出了一種綜合考慮能量、距離、搜索角度的無(wú)線(xiàn)傳感器路由優(yōu)化算法。該算法將上文基于Logistic混沌理論的遞減步長(zhǎng)的果蠅優(yōu)化算法與傳統(tǒng)路由協(xié)議相融合,從而在整個(gè)搜索過(guò)程中綜合考慮節(jié)點(diǎn)位置、剩余能量、傳輸距離以及傳輸角度等因素,同時(shí)引入了調(diào)控因子,以進(jìn)一步保證節(jié)點(diǎn)的負(fù)載均衡。然后,針對(duì)傳統(tǒng)路由協(xié)議容易出現(xiàn)的“熱點(diǎn)問(wèn)題”,即“路由空洞”和“熱點(diǎn)路徑”問(wèn)題,提出了規(guī)避路由空洞策略,引入了節(jié)點(diǎn)規(guī)避機(jī)制以及向前飛行可行域概念以解決處于“熱點(diǎn)路徑”節(jié)點(diǎn)的能量過(guò)早枯竭問(wèn)題。仿真實(shí)驗(yàn)表明相對(duì)于傳統(tǒng)平面路由協(xié)議算法,本文提出的無(wú)線(xiàn)傳感器路由協(xié)議優(yōu)化算法延長(zhǎng)了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期,實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的負(fù)載均衡,解決了傳統(tǒng)路由協(xié)議能量空洞問(wèn)題,可以滿(mǎn)足實(shí)際工程應(yīng)用中對(duì)路由協(xié)議的要求并具有良好的通用性。
【圖文】：

[20]。圖1.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖作為傳感器節(jié)點(diǎn)最基本的功能單元，普通節(jié)點(diǎn)由五個(gè)功能模塊組成，具體如圖 1.2所示。其中處理模塊是核心模塊，負(fù)責(zé)對(duì)信息的路由轉(zhuǎn)發(fā)和調(diào)度，，數(shù)據(jù)融合和安全傳輸，通常無(wú)線(xiàn)路由算法的優(yōu)化在此模塊進(jìn)行研究[21]。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，能量模塊是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)模塊。整個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器的節(jié)點(diǎn)都由自帶的電源提供能量，受節(jié)

[23]。圖1.2 無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖1.1.2 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)能耗特點(diǎn)WSNs 通信路由協(xié)議分為四層，依次為物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸應(yīng)用層[24]。網(wǎng)絡(luò)中能量損耗集中體現(xiàn)在鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層。鏈路層主要負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)包形成幀，對(duì)幀進(jìn)行檢測(cè)同時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)差錯(cuò)。MAC 協(xié)議幀頭不包含有效的數(shù)據(jù)信息時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程存在能量消耗。同時(shí)通信路徑中存在信道共享、數(shù)據(jù)包競(jìng)爭(zhēng)、因路徑?jīng)_突需暴露和隱藏等終端問(wèn)題，此過(guò)程中造成網(wǎng)絡(luò)中較大一部分能量損耗[25]。網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)文的路由轉(zhuǎn)發(fā)，基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特性，普通節(jié)點(diǎn)無(wú)法與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)直接通信，源節(jié)點(diǎn)需要將數(shù)據(jù)報(bào)文通過(guò)中間節(jié)點(diǎn)的多跳路由轉(zhuǎn)發(fā)到匯聚節(jié)點(diǎn)。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)能量的消耗主要集中在節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)調(diào)過(guò)程中，路由協(xié)議算法的節(jié)能優(yōu)化主要考慮此網(wǎng)絡(luò)層的能耗。傳輸層主要控制對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TP212.9;TN929.5;TP18

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本文編號(hào)：2614607