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传感器技术、通信技术、计算机技术被称为现代信息技术的三大基础,它们分别完成对信息的采集、传输和处理。无线传感器网络就是将这三种技术结合在一起,从而实现信息的采集、传输和处理的真正统一。无线传感器网络在军事、工业、交通、安全、医疗、探测等很多领域都有着广泛的应用前景,从而引起了学术界和工业界的高度重视。
无线传感器网络是无线ad hoc网的一种典型应用,但相比传统ad hoc网,传感器网络主要有下面特点:网络规模和分布密度较大;节点能量、计算能力和存储能力受限;以数据、以应用为中心等。传统无线网络的首要设计目标是提供高服务质量和高效带宽利用,其次才是考虑节约能源;而无线传感器网络的首要设计目标就是能源的高效使用,这也是无线传感器网络和传统网络最重要的区别之一。因此,在考虑网络性能参数时,能耗是非常重要的一个方面,如何高效使用能量来最大化网络生命周期是无线传感器网络面临的首要挑战。而无线传感器网络在工作过程中节点收发及处理数据所消耗的能量是显著的,因此,如何根据应用设计出最优路径成为降低能耗的关键问题。
本文的主要研究对象是无线传感器网络的路由协议。无线传感器网络的路由协议可以分为两类:平面路由协议和分层路由协议。后者的网络节点功能不完全相同,比较适合实际中的能量优先管理和分布式算法的应用,因此本文的重点也放在分层路由协议上。最为经典的分层路由协议当数LEACH,LEACH算法能够保证各节点等概率地担任簇头,使得网络中的节点相对均衡地消耗能量。但是LEACH也存在相对不足的地方,比如,在选取簇头时没有考虑节点的具体地理位置,不能保证簇头均匀地分布在整个网络中,导致离汇聚节点较远的簇头消耗能量过快,影响网络的覆盖范围和生存时间等。在研究LEACH分簇思想的基础上,本文还提出了一种基于自适应粒子群优化算法的无线传感器网络路由协议(APSOCH)。粒子群优化算法是一种群智能算法,是一种进化计算技术。基于社会认知能力的粒子群算法被广泛应用到寻找问题的最优方案上,其实质是一个迭代进化过程。本文在继承传统粒子群优化算法的进化优点基础上,改进的非线性权值调整方法使之具有一定的自适应性,基于应用的适应度函数设计使之具有更好的收敛效果。通过在NS2的实验结果表明,APSOCH比LEACH能更好的平衡节点能耗,提高网络的能量利用率,延长网络的生命周期。