基于粒子群的WSN低能耗路由協(xié)議的研究.pdf

1、微機(jī)電系統(tǒng)、嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)和無線通信技術(shù)的日益成熟和進(jìn)步，推動(dòng)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)的產(chǎn)生和發(fā)展，使WSN成為目前IT領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)，并已被廣泛地應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。但是，傳感網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)的能量有限性，使其計(jì)算、存儲(chǔ)和通信能力等受到限制，從而使設(shè)計(jì)WSN路由協(xié)議考慮的首要目標(biāo)就是如何能以能量高效的方式收集數(shù)據(jù)信息并將其傳輸至基站。目前，大多數(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要通過運(yùn)用層次路

2、由協(xié)議來減少網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，但多半只停留在考慮單個(gè)節(jié)點(diǎn)能量消耗的降低，基于此，本文提出基于粒子群的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低能耗路由協(xié)議(Low-power Routing Protocol of WSN Based OnParticle Swarm Optimization，PSO-LP)，主要針對(duì)經(jīng)典層次路由協(xié)議LEACH(Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy)進(jìn)行多方面的改進(jìn)，相比LEACH協(xié)議，

3、PSO-LP協(xié)議不僅注重降低單個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量消耗更加重視能量在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的均衡消耗，從整體降低網(wǎng)絡(luò)的能耗，提高網(wǎng)絡(luò)生命周期。
　　 首先，改進(jìn)粒子群算法(Particle Swarm Optimization，PSO)中的適應(yīng)度函數(shù)。適應(yīng)度函數(shù)決定當(dāng)選簇頭的綜合性能，主要考慮了當(dāng)選簇頭節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的剩余能量、簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)與當(dāng)選簇頭的平均距離、簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)剩余能量的均衡程度和基站位置這些因素，其中剩余能量的考慮使節(jié)點(diǎn)有充足的能量擔(dān)任

4、簇頭節(jié)點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)被選為簇頭后距離成員節(jié)點(diǎn)的平均距離越小，簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)與簇頭通信的能量消耗越少；考慮剩余能量的均衡程度有效地避免算法陷入局部最優(yōu)，使粒子有更大的能力搜索最優(yōu)解的區(qū)域，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量消耗得到均衡，避免網(wǎng)絡(luò)空洞；基站位置影響簇頭節(jié)點(diǎn)的能量消耗。
　　 其次，為了提高網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，在PSO-LP協(xié)議中采用單簇頭和雙簇頭結(jié)合的方式，網(wǎng)絡(luò)初期，先利用粒子群算法選取兩個(gè)簇頭分別作為主、從簇頭，兩個(gè)簇頭分工合作，主簇頭負(fù)責(zé)接收并

5、融合簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并將其發(fā)送至基站或最近的從簇頭，從簇頭負(fù)責(zé)將接收到的主簇頭數(shù)據(jù)信息發(fā)送至基站；網(wǎng)絡(luò)中期，每個(gè)簇類的兩個(gè)簇頭都互相維護(hù)著彼此的信息，當(dāng)兩個(gè)簇頭中任何一個(gè)簇頭由于異常原因失效(這種情況在實(shí)際應(yīng)用中很可能發(fā)生)或者能量低于限定閾值后，由另一簇頭同時(shí)承擔(dān)一個(gè)簇內(nèi)兩個(gè)簇頭的功能，避免網(wǎng)絡(luò)盲區(qū)和信息混亂現(xiàn)象的出現(xiàn)；網(wǎng)絡(luò)后期當(dāng)兩個(gè)簇頭都低于限定的閾值后，再進(jìn)行簇頭的重選，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)簇頭重選的周期，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸階段的時(shí)間

6、，確保整個(gè)網(wǎng)絡(luò)在較低的能耗水平下獲得較高的吞吐量和較長(zhǎng)的生命周期。
　　 最后，在數(shù)據(jù)傳輸階段采用單路和多路混合式路由策略：簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)采取單跳方式與簇頭直接通信；而簇間路由采取單跳和多跳相結(jié)合的方式，即主、從簇頭進(jìn)行分工合作，主簇頭先將簇內(nèi)成員發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合后以單跳或多跳的方式將信息傳輸至基站，從簇頭與基站直接通信。這種傳輸方式實(shí)現(xiàn)了到Sink節(jié)點(diǎn)的多條路由，從而節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量，延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生命周期，并保證了路由的健