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《兰州理工大学》 2019年
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基于分簇的无线传感器网络能效研究

彭铎  
【摘要】:无线传感器网络是由大量的微型传感器节点通过自组织的方式组成的智能网络。通过无处不在的传感节点感知和采集周围环境的信息,把采集的信息以多跳的方式进行远程传输,成为一种区别于以往的新型信息采集和处理手段,成为学术界的研究热点,它的研究和应用将对社会发展与进步产生深远的影响。由于无线传感器节点携带能量有限,且往往部署在环境恶劣,无人值守的地方,能量约束成为无线传感器网络的一大瓶颈。这就对路由协议的设计提出了更高的要求,必须设计能量高效的路由协议,充分合理的使用网络能量,在这方面基于分簇的层次路由协议具有明显的优势,成为高能效路由协议研究的重点领域。本文对基于分簇的传感器网络路由协议能效问题进行了深入研究,提出采用多种“开源、节流”的方法来提高网络能效,延长网络生命周期,主要工作和研究成果包括以下四个方面:针对无线传感器网络路由协议的特点,对分簇协议的机制,关键技术进行了详细分析与研究。特别对于分簇机制的能耗进行了详细分析,通过对典型协议的分析对比,指出了现有分簇路由协议的特征和不足之处,提出了提高能效的方法和途径,为改进和提出新的分簇路由协议奠定了基础。针对典型的环境监测应用,提出采用非均匀分簇的设计思路。由于无线传感器网络是与应用密切相关的,没有一种协议是放之四海而皆准的。本文提出了一种基于层次分析的非均匀分簇无线传感器网络高能效路由协议UCER-FW。在簇头选举中采用层次分析法,将簇头(簇首)选举模型化为一个复杂的多目标决策问题,将是否成为簇头分解为多指标约束条件,通过模糊量化方法算出层次单排序,建立层次结构模型,求解判断矩阵特征向量,得到各个节点对总目标的权值,来确定是否当选。节点通过感知离基站的距离,限定簇头选举的竞争半径,形成规模逐渐减小的簇,使得离基站最近的簇有较小的簇规模,而簇的数量较多,结合考虑节点剩余能量,大大缓解了“热区”问题。提出在簇头轮换中采用预排式簇头轮换策略,簇内节点按预定的顺序轮流担任簇头,避免了频繁选举带来的能量消耗。簇间数据传输采用多跳的形式,结合考虑节点剩余能量和通信开销,把在Sink节点一跳距离内的节点也纳入数据转发节点集合,均衡了节点能耗。所提方法有效均衡了节点能耗,稳定可靠,延长了网络生命周期。针对可二次能量补给的无线传感器网络,提出了一种改进型基于二进制粒子群优化的簇形成算法SOL-BPSO。由于节点本身所带能量有限,提出采用太阳能作为补充能量,形成带能量补给的无线传感器网络分簇路由协议,根据二次能量的特点,设计能量供给模型,把整个网络划分为大小均匀的簇。在簇的形成中采用基于二进制粒子群优化的簇形成算法,把网络分簇转化为组合优化问题,采用节点的能量采集效率,节点到簇头的距离,节点到Sink节点的距离来设计适应度函数,三者的加权因子之和为1。通过多次迭代寻优,使能量采集效率高的节点优先成为簇头,生成簇的节点能耗最小且均衡,簇头距离Sink节点较近。减少了传输能耗,有效延长了网络生命周期。针对无线传感器网络数据转发路由的优化问题,提出了一种基于Q学习的分簇路由形成算法。在强化学习中,由于Q学习算法具有在当前状态和动作的Q值在单个的数值中概括了所有需要的信息,以确定在状态s下选择动作a时在将来会获得的折算累计回报的特点。这个特点使得其应用于WSN网络路由选择具有较大的优势,根据WSN的应用场景,设计回报值由节点剩余能量、转发跳数、节点间传输能耗组成。通过Agent间发送反馈消息更新Q表项,找出最优的下一跳节点,直到传送给基站,优化了数据传输时的路径选择,有效降低了通信能耗。
【学位授予单位】:兰州理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TP212.9;TN929.5

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