基于微分-蟻群算法wsn路由協(xié)議的研究

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1、第一章緒論1．1課題研究的背景和意義1．1．1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)融合了多項(xiàng)先進(jìn)新型技術(shù)，繼承了傳感器技術(shù)、MEMS系統(tǒng)、無(wú)線通信以及分布式DSP、SoC、嵌入式等部分功能，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1．1所示，由大量的分布式傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)至9達(dá)控制中心。它是一個(gè)集成的綜合智能信息系統(tǒng)，能夠完成信息的收集、計(jì)算處理和傳輸。／，，一一一～、、、、監(jiān)控區(qū)域圖卜1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖數(shù)以萬(wàn)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)被隨機(jī)安放在特定地區(qū)或其四周。這些傳感器節(jié)點(diǎn)借助自己的無(wú)線通信方式和自組織本領(lǐng)建立起網(wǎng)絡(luò)體系。這些傳感

2、器節(jié)點(diǎn)會(huì)不斷監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的對(duì)象并收集相關(guān)信息，以多跳方式將相關(guān)信息傳送給基站。基站又稱(chēng)匯聚節(jié)點(diǎn)【1]，具有非常強(qiáng)大的功能：能夠?qū)鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)與其他任意網(wǎng)絡(luò)連通在一起，進(jìn)而完成跨協(xié)議棧問(wèn)的通信轉(zhuǎn)換；能夠?qū)鞲衅鞴?jié)點(diǎn)感知的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚、存儲(chǔ)以及處理；并能夠?qū)o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)施管理和監(jiān)控?；臼盏絺鞲衅鞴?jié)點(diǎn)采集到的信息后對(duì)此進(jìn)行計(jì)算處理，處理后的信息由衛(wèi)星等網(wǎng)絡(luò)傳遞給用戶(hù)控制中心。此后用戶(hù)即可利用管理節(jié)點(diǎn)來(lái)給基站分配任務(wù)，匯聚節(jié)點(diǎn)則會(huì)將任務(wù)以多跳方式發(fā)送給各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。基于微分．蟻群算法WSN路由協(xié)議的研究從上面描述可以看出，傳感器節(jié)點(diǎn)除了自身獲

3、取、存儲(chǔ)、傳遞信息以外，還能夠?qū)邮盏降泥従庸?jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行融合、處理。由此可知，一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)【2】需要集成一個(gè)或多個(gè)物理傳感器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器以及處理器、存儲(chǔ)器、電源設(shè)備、無(wú)線電收發(fā)設(shè)備等，其結(jié)構(gòu)圖如圖l-2所示。圖1—2傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖目前受到歡迎的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)有無(wú)線Ad—Hoc網(wǎng)、無(wú)線局域網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)以及藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)等。而WSN作為一種特殊的無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)，除了具有自組織、分布式控制和動(dòng)態(tài)拓?fù)涞忍卣魍猓€具有與上述網(wǎng)絡(luò)不同的以下幾項(xiàng)鮮明特點(diǎn)【3’4】：(1)應(yīng)用相關(guān)性。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)通常需要針對(duì)某一特定應(yīng)用進(jìn)行，它是無(wú)線網(wǎng)和數(shù)據(jù)網(wǎng)的

4、結(jié)合。不同的WSN對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)有不同的要求，關(guān)心不同的物理量，它不可能像互聯(lián)網(wǎng)那樣采用統(tǒng)一的通信協(xié)議。因此，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種基于應(yīng)用的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，這也是區(qū)別于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的明顯特征。(2)網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模、大密度性。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是通過(guò)大量冗余節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作，而非依靠單個(gè)節(jié)點(diǎn)的能力來(lái)完成任務(wù)。這些節(jié)點(diǎn)的協(xié)作讓網(wǎng)絡(luò)體系的容錯(cuò)性得到很大的提高，而且數(shù)量巨大時(shí)能監(jiān)測(cè)到更廣的區(qū)域；大密度指的是節(jié)點(diǎn)部署密度高，在很小的區(qū)域中密集部署大量傳感器節(jié)點(diǎn)。與傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相比，WSN節(jié)點(diǎn)的數(shù)量和密度均提高了若干數(shù)量級(jí)。(3)以數(shù)據(jù)為中心。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，用戶(hù)關(guān)

5、心的是從指定區(qū)域內(nèi)獲取監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，而非某個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)。它不同于傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，用戶(hù)查詢(xún)事件時(shí)是將第一章緒論其直接發(fā)布給網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)獲取該事件后融合提取出有價(jià)值信息直接傳給用戶(hù)終端。(4)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)易受到惡劣環(huán)境的影響，同時(shí)人為破壞、已有節(jié)點(diǎn)失效或故障、新節(jié)點(diǎn)的加入都會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞念l繁變化。(5)路由多跳性。由于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)利用多跳的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)計(jì)的通信覆蓋只需要幾十米即可。而且WSN中大部分傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都已經(jīng)經(jīng)過(guò)處理，所需流量小，這也使得其所需帶寬變低。(6)節(jié)點(diǎn)資源有限性。傳感器節(jié)點(diǎn)

6、的能量受限源于節(jié)點(diǎn)微型化且通常被部署在偏遠(yuǎn)惡劣的環(huán)境中，電池容量小、不易更換；同時(shí)節(jié)點(diǎn)的低成本及微型化也導(dǎo)致了其存儲(chǔ)和處理計(jì)算能力受限，這在很大程度上也限制了其通信能力。因此，克服節(jié)點(diǎn)局限性、降低能耗成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)計(jì)的一個(gè)重要問(wèn)題。1．1．2課題研究的目的和意義近年來(lái)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)成為社會(huì)的研究熱點(diǎn)。由于網(wǎng)絡(luò)自身的特點(diǎn)，其設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)有所不同，路由協(xié)議的設(shè)計(jì)便是其核心目標(biāo)之一。不同于無(wú)線自組網(wǎng)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由的設(shè)計(jì)是以減少節(jié)點(diǎn)能量損耗為首要目標(biāo)。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)本身受體積、成本以及偏遠(yuǎn)惡劣環(huán)境等影響，且使用微電池供電，其存

7、儲(chǔ)和計(jì)算處理能力均十分有限。由1．1．1可知無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性較強(qiáng)，節(jié)點(diǎn)能量耗盡、新節(jié)點(diǎn)加入以及環(huán)境改變等都會(huì)改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。因此，在設(shè)計(jì)無(wú)線傳感器網(wǎng)路由協(xié)議的時(shí)候，須考慮上述因素，實(shí)現(xiàn)能量均衡，延長(zhǎng)其有效工作時(shí)間。提出節(jié)省能耗和能量均衡的路由協(xié)議具有實(shí)際意義，也是本文的研究核心。。1．2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀因?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在民用、軍事等許多方面都有著特別廣泛的應(yīng)用價(jià)值，大多數(shù)國(guó)家的軍事部門(mén)、學(xué)術(shù)和工業(yè)人士都對(duì)此應(yīng)運(yùn)而生的網(wǎng)絡(luò)投入了深入的研究和大量的心血。最先著手鉆研無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的國(guó)家當(dāng)屬美國(guó)，它是第一個(gè)提出并研究“智能微塵(Smar

8、tDust)”【5】、“網(wǎng)絡(luò)嵌入式系統(tǒng)技術(shù)(NEST)”、“無(wú)線綜合網(wǎng)絡(luò)傳感器(WINS)”【6】等系統(tǒng)的國(guó)家。同時(shí)該國(guó)家的眾多著名高校，如康奈爾大學(xué)、南加州大學(xué)、麻省理工大學(xué)等都陸續(xù)加入到了