發(fā)布時(shí)間：2020-08-10 18:19

【摘要】：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的微型傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織的方式組成的智能網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)無(wú)處不在的傳感節(jié)點(diǎn)感知和采集周?chē)h(huán)境的信息,把采集的信息以多跳的方式進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸,成為一種區(qū)別于以往的新型信息采集和處理手段,成為學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn),它的研究和應(yīng)用將對(duì)社會(huì)發(fā)展與進(jìn)步產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。由于無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)攜帶能量有限,且往往部署在環(huán)境惡劣,無(wú)人值守的地方,能量約束成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一大瓶頸。這就對(duì)路由協(xié)議的設(shè)計(jì)提出了更高的要求,必須設(shè)計(jì)能量高效的路由協(xié)議,充分合理的使用網(wǎng)絡(luò)能量,在這方面基于分簇的層次路由協(xié)議具有明顯的優(yōu)勢(shì),成為高能效路由協(xié)議研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。本文對(duì)基于分簇的傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議能效問(wèn)題進(jìn)行了深入研究,提出采用多種“開(kāi)源、節(jié)流”的方法來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)能效,延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期,主要工作和研究成果包括以下四個(gè)方面:針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的特點(diǎn),對(duì)分簇協(xié)議的機(jī)制,關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)分析與研究。特別對(duì)于分簇機(jī)制的能耗進(jìn)行了詳細(xì)分析,通過(guò)對(duì)典型協(xié)議的分析對(duì)比,指出了現(xiàn)有分簇路由協(xié)議的特征和不足之處,提出了提高能效的方法和途徑,為改進(jìn)和提出新的分簇路由協(xié)議奠定了基礎(chǔ)。針對(duì)典型的環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用,提出采用非均勻分簇的設(shè)計(jì)思路。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是與應(yīng)用密切相關(guān)的,沒(méi)有一種協(xié)議是放之四海而皆準(zhǔn)的。本文提出了一種基于層次分析的非均勻分簇?zé)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)高能效路由協(xié)議UCER-FW。在簇頭選舉中采用層次分析法,將簇頭(簇首)選舉模型化為一個(gè)復(fù)雜的多目標(biāo)決策問(wèn)題,將是否成為簇頭分解為多指標(biāo)約束條件,通過(guò)模糊量化方法算出層次單排序,建立層次結(jié)構(gòu)模型,求解判斷矩陣特征向量,得到各個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)總目標(biāo)的權(quán)值,來(lái)確定是否當(dāng)選。節(jié)點(diǎn)通過(guò)感知離基站的距離,限定簇頭選舉的競(jìng)爭(zhēng)半徑,形成規(guī)模逐漸減小的簇,使得離基站最近的簇有較小的簇規(guī)模,而簇的數(shù)量較多,結(jié)合考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量,大大緩解了“熱區(qū)”問(wèn)題。提出在簇頭輪換中采用預(yù)排式簇頭輪換策略,簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)按預(yù)定的順序輪流擔(dān)任簇頭,避免了頻繁選舉帶來(lái)的能量消耗。簇間數(shù)據(jù)傳輸采用多跳的形式,結(jié)合考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量和通信開(kāi)銷(xiāo),把在Sink節(jié)點(diǎn)一跳距離內(nèi)的節(jié)點(diǎn)也納入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)集合,均衡了節(jié)點(diǎn)能耗。所提方法有效均衡了節(jié)點(diǎn)能耗,穩(wěn)定可靠,延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生命周期。針對(duì)可二次能量補(bǔ)給的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),提出了一種改進(jìn)型基于二進(jìn)制粒子群優(yōu)化的簇形成算法SOL-BPSO。由于節(jié)點(diǎn)本身所帶能量有限,提出采用太陽(yáng)能作為補(bǔ)充能量,形成帶能量補(bǔ)給的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議,根據(jù)二次能量的特點(diǎn),設(shè)計(jì)能量供給模型,把整個(gè)網(wǎng)絡(luò)劃分為大小均勻的簇。在簇的形成中采用基于二進(jìn)制粒子群優(yōu)化的簇形成算法,把網(wǎng)絡(luò)分簇轉(zhuǎn)化為組合優(yōu)化問(wèn)題,采用節(jié)點(diǎn)的能量采集效率,節(jié)點(diǎn)到簇頭的距離,節(jié)點(diǎn)到Sink節(jié)點(diǎn)的距離來(lái)設(shè)計(jì)適應(yīng)度函數(shù),三者的加權(quán)因子之和為1。通過(guò)多次迭代尋優(yōu),使能量采集效率高的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先成為簇頭,生成簇的節(jié)點(diǎn)能耗最小且均衡,簇頭距離Sink節(jié)點(diǎn)較近。減少了傳輸能耗,有效延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)生命周期。針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路由的優(yōu)化問(wèn)題,提出了一種基于Q學(xué)習(xí)的分簇路由形成算法。在強(qiáng)化學(xué)習(xí)中,由于Q學(xué)習(xí)算法具有在當(dāng)前狀態(tài)和動(dòng)作的Q值在單個(gè)的數(shù)值中概括了所有需要的信息,以確定在狀態(tài)s下選擇動(dòng)作a時(shí)在將來(lái)會(huì)獲得的折算累計(jì)回報(bào)的特點(diǎn)。這個(gè)特點(diǎn)使得其應(yīng)用于WSN網(wǎng)絡(luò)路由選擇具有較大的優(yōu)勢(shì),根據(jù)WSN的應(yīng)用場(chǎng)景,設(shè)計(jì)回報(bào)值由節(jié)點(diǎn)剩余能量、轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)、節(jié)點(diǎn)間傳輸能耗組成。通過(guò)Agent間發(fā)送反饋消息更新Q表項(xiàng),找出最優(yōu)的下一跳節(jié)點(diǎn),直到傳送給基站,優(yōu)化了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的路徑選擇,有效降低了通信能耗。
【學(xué)位授予單位】：蘭州理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TP212.9;TN929.5

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本文編號(hào)：2788451