樓宇室內環(huán)境無線傳感器網絡路由算法研究.pdf

1、無線傳感器網絡是隨著無線通信、集成電路、傳感器、微電子等多種信息技術飛速發(fā)展而形成的多學科交叉研究領域,具有以數據為中心、自組織、自適應、分布式等特點。在無線傳感器網絡中,由于網絡節(jié)點體積微小,導致其通信能力較弱、能量有限,這使得路由算法的性能對于無線傳感器網絡至關重要,它不僅是實現能量均衡、擁塞控制的基礎,更是保持網絡連通性、提高數據傳輸可靠性的關鍵環(huán)節(jié)。由于無線傳感器網絡與應用環(huán)境密切相關,隨著其應用環(huán)境從傳統(tǒng)的室外環(huán)境向樓宇室內環(huán)

2、境逐步擴展,對無線傳感器網絡及其路由算法提出了更高的要求。
　　 本文面向控制學科的新興研究方向--無線傳感器網絡所涉及的理論與技術,以樓宇室內環(huán)境為具體研究背景,針對經典無線傳感器網絡路由算法多以室外環(huán)境為其研究背景,難以適應樓宇室內環(huán)境中多分隔、多障礙、環(huán)境動態(tài)變化等特點,基于迭代優(yōu)化技術、最優(yōu)化理論、群體智能優(yōu)化、圖論等計算方法,開展了面向樓宇室內環(huán)境的路由算法與應用技術研究。作為一項具有創(chuàng)新性意義的工作,論文在研究方法與

3、思路上力求有所突破,主要研究成果包括如下四個方面:
　　 ①樓宇室內環(huán)境中,由于有墻、門等障礙物,節(jié)點間的傳播損耗因子各異,且隨環(huán)境變化而變化,使得難以根據節(jié)點間的距離遠近準確估計出節(jié)點間傳播損耗的大小,嚴重影響路由算法的性能。針對室內無線通信的這一特點,基于卡爾曼濾波理論,提出自適應無線傳感器網絡室內RSSI估計算法(AIRE)。針對RSSI值不穩(wěn)定的特點,算法通過對典型的卡爾曼濾波算法的改進、簡化,實現對RSSI觀測值進行迭

4、代優(yōu)化,從而確保了在環(huán)境參數不變狀態(tài)下的RSSI準確估計；在此基礎上,算法建立了環(huán)境參數躍變的判定模型,實現對環(huán)境變化的自適應。仿真和實驗結果均表明,經典的滑動窗算法在環(huán)境躍變時雖然具有自適應能力,但無法實現收斂；改進卡爾曼算法kalman-simple在環(huán)境躍變時收斂速度很慢；AIRE算法在環(huán)境躍變時的收斂速度約為kalman-simple的20倍,更適合應用于樓宇室內環(huán)境中的無線傳感器網絡。
　　 ②針對樓宇室內環(huán)境無線信道

5、參數隨環(huán)境變化而動態(tài)變化,經典無線傳感器網絡路由算法自適應能力有限,難以在這一環(huán)境中保證網絡能量均衡與生存時間的特點,以AIRE算法為基礎,提出了自適應加權的無線傳感器網絡室內能量均衡路由(WAIER)。WAIER利用AIRE算法實現節(jié)點間傳播損耗的自適應準確估計；將路由建立過程抽象為典型的多屬性決策過程,建立多屬性能量均衡模型；對原始數據進行歸一化處理,解決模型中數據間的不可公度性；以主客觀綜合賦權法和熵權系數法,實現權重隨數據變化而

6、變化的自適應動態(tài)調整；并以多種能量相關參數作為決策屬性,選取最優(yōu)數據轉發(fā)節(jié)點,提高網絡能量的動態(tài)均衡性。通過實驗發(fā)現,WAIER的剩余能量均值比MTE低2.7％,比WAIER-1高1.1％,但WAIER的能量分布更加均勻,其剩余能量相對熵值為MTE的0.07倍,為WAIER-1的0.46倍,生存時間是MTE的1.93倍,是WAIER-1的1.15倍,在樓宇室內環(huán)境應用時可有效平衡網絡能量消耗,延長網絡生存時間。
　　 ③無線傳感

7、器網絡在樓宇室內環(huán)境應用時,由于與人的聯系更加緊密,對路由算法的服務質量(QOS)提出了更高的要求,但樓宇室內環(huán)境無線信道參數的動態(tài)變化不僅影響了網絡能量消耗,也使網絡的QOS相關參數隨之變化。針對現有基于QOS的路由算法應用于樓宇室內環(huán)境時,難以兼顧自適應能力與網絡能耗這一問題,在AIRE算法和WAIER算法的研究基礎上,提出了基于離散粒子群算法的無線傳感器網絡自適應QOS路由(DAQR)。DAQR將不同的QOS參數定義為不同的優(yōu)化目

8、標,將QOS路由建立過程抽象為多目標優(yōu)化過程,并以經典粒子群算法為基礎,結合遺傳算法、小生境算法、熵權系數法,設計出面向路由建立的多目標離散粒子群優(yōu)化策略,實現局部區(qū)域的路由優(yōu)化。仿真實驗結果表明,與經典QOS路由算法相比,DAQR在環(huán)境參數變化的條件下,其各種QOS參數均取得了較好的表現,在η取值達到20％1時,DAQR-1的網絡生存時間比EQR和SAR分別高28.1％和131.8％；在網絡規(guī)模擴大時DAQR也顯示出了較好的可擴展性,

9、η取5％,節(jié)點數為500個時,DAQR-1的網絡生存時間比EQR和SAR分別高17.3％和67.1％。證明了DAQR的QOS參數能夠有效適應環(huán)境的動態(tài)變化,并且在網絡規(guī)模擴大時也顯示出了更好的可擴展性。
　　 ④面向樓宇室內環(huán)境應用,結合面向樓宇室內環(huán)境的路由算法研究成果,構建了適用于樓宇室內環(huán)境的樓宇節(jié)能監(jiān)控原型系統(tǒng)--基于無線傳感器網絡的樓宇室內環(huán)境多模態(tài)監(jiān)控原型系統(tǒng)。針對具有新特點的室內動態(tài)網絡拓撲結構,以AIRE和WAI