基于小世界模型的无线传感器网络层次型路由算法

物联网技术 2018年 / 第3期420 引 言经典的复杂网络理论已经证明： “小世界效应”在社会关系网络中广泛存在[1,2]。

小世界现象的本质特征是具有小的平均路径长度和大的集聚系数[3,4]。

小世界特征普遍存在于如计算机互联网、科学家合作网、社会关系网等现实网络中，同时小世界理论还广泛存在于电力网络、神经网络等系统中[5,6]。

真实的网络可以分为关系网络与空间网络两大类。

在关系网络（Relation Network）的拓扑结构中，节点之间的连接与节点距离和位置无关，节点之间的距离以跳数来计算；空间网络（Spatial Network）节点之间的连接与节点之间的距离和位置紧密相关。

传统的复杂网络研究通常都将社会关系或者技术网络抽象为关系网络，属于关系图的范畴；无线Ad-Hoc 网络与无线传感器网络由于其传输半径的限制，是空间网络，属于空间图的范畴。

空间网络的拓扑结构与连通性及传输半径紧密相关。

小世界特征是指网络较小的平均路径长度和大的聚类系数，无线传感网络中节点之间采用无线多跳方式传输数据，引入小世界特征可以降低网络系统的通信开销，并增强网络的容错性，从而延长整个系统的生存时间[7-11]。

张[12]等选择性地删除一些边，基于汇聚节点建立捷径，交替进行，直到两个小世界特征达到最优。

周[13]等基于小世界与能效提出了一种容迟网络路由算法。

Nardis [14]等设计了一种自适应选举簇头，簇头之间动态建立捷径，生成具有小世界特征的网络拓扑结构，实验结果显示了该网络的优良性能。

根据传感网应用环境的不同，部署方式可以分为确定性部署和随机部署两类。

在监测范围小且人类方便到达的应用环境如车间、医院、商场中，可以预先确定传感器节点的位置并手工部署在确定位置上。

但当网络规模较大或在环境恶劣危险的场合应用时，如湖泊、沼泽、沙漠、战场、疫区等，通常采用随机播撒方式。

本文在无线传感网中引入复杂网络中的小世界特征，结合确定性部署和随机部署方式，在随机部署的基础上，确定部署少量具有更高能量、更强数据处理能力的超级节点，在超级节点和汇聚节点之间建立超级链路形成直接通信的可靠捷径，从而构建基于无线传感器网络小世界效应的网络模型。

无线传感器网络分层聚类路由算法的研究的开题报告一、选题依据和意义无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是由大量分布在特定区域内的微型、低功耗、低成本传感器节点组成的自组织网络。

传感器节点一般由处理器、无线通信模块、能量供应和多种传感器组成，其将所采集的数据传输给基站或其他节点进行处理和分析。

无线传感器网络被广泛应用于环境监测、农业、工厂自动化、智能家居等领域。

在传感器网络中，如何高效地传输数据和上传信息是一个非常重要的问题。

因此，无线传感器网络路由算法的研究备受关注。

目前，无线传感器网络路由算法主要分为平面化路由算法和分层路由算法两类。

前者只在第一层节点建立基本的数据传输路径，而后者可以通过多层节点之间的数据交互实现更高效的数据传输和信息收集。

本文旨在探究分层聚类路由算法在无线传感器网络中的应用和优化。

该算法以传感器节点之间的距离和相似度进行分层聚类，有效地解决了网络中节点能源耗尽和缺失的问题。

另外，对于某些特殊应用场景下，本文也将探讨路由算法的性能优化与提升。

该研究对于提高无线传感器网络数据传输效率、降低能耗、提高网络性能等方面具有现实意义和广泛应用价值。

二、研究内容和方法本文研究的重点为分层聚类路由算法在无线传感器网络中的应用和优化问题。

具体研究内容如下：1.分层聚类路由算法的原理和实现介绍分层聚类路由算法的理论基础和实现方法。

探究基于相似度和距离的分层聚类算法和基于节点能量的路由算法。

2.分层聚类路由算法的应用和优化通过具体应用场景，探究分层聚类路由算法在无线传感器网络中的优缺点。

进一步提出算法的优化和改进方法，从而提高算法的性能和效率。

3.应用实验及性能分析通过实验方法验证优化算法的实际效果，并对优化前后的数据进行对比和分析，从而得出结论。

4.总结和展望总结研究内容和成果，分析实验结果和成就，对未来研究进行展望和规划。

本研究的方法包括文献调研、理论分析、数学建模、软件仿真、实验验证等方法。

无线传感器网络中的网络模型与性能评估方法无线传感器网络是由大量分布在空间中的无线传感器节点组成的网络，这些节点能够感知环境中的信息，并将其传输到网络中的其他节点。

无线传感器网络的设计和性能评估是该领域的重要研究方向之一。

本文将介绍无线传感器网络中的网络模型和性能评估方法。

一、网络模型无线传感器网络的网络模型是描述网络中节点之间的连接关系和通信方式的数学模型。

常见的网络模型包括平面模型、非平面模型和混合模型。

平面模型是最简单的网络模型之一，它假设无线传感器网络中的所有节点都位于同一个平面上，并且节点之间的通信距离是有限的。

这种模型适用于一些特定的应用场景，如室内定位系统。

非平面模型是对现实世界中无线传感器网络的更准确描述。

在非平面模型中，节点的位置和通信距离可以是任意的，节点之间的通信通过多跳方式进行。

这种模型适用于大多数无线传感器网络的应用场景。

混合模型是将平面模型和非平面模型结合起来的一种模型。

在该模型中，网络中的一部分节点位于平面上，另一部分节点则位于非平面上。

这种模型能够更准确地描述某些特殊的应用场景，如山区环境监测。

二、性能评估方法性能评估是对无线传感器网络中各种性能指标进行定量分析和评估的过程。

常见的性能指标包括网络覆盖率、能量消耗、网络延迟和数据传输可靠性等。

网络覆盖率是衡量无线传感器网络中节点感知范围与监测区域之比的指标。

通过计算网络中节点的感知范围和监测区域的重叠程度，可以评估网络的覆盖率。

高覆盖率能够提高网络的监测能力和数据收集效率。

能量消耗是无线传感器网络中一个重要的性能指标。

传感器节点通常由电池供电，能量消耗的多少直接影响节点的寿命和网络的可用性。

通过分析节点的能量消耗模型和优化节点的能量管理策略，可以有效延长网络的寿命。

网络延迟是指数据从源节点传输到目的节点所需的时间。

在无线传感器网络中，由于节点之间的通信距离有限，数据传输的延迟较大。

通过优化网络拓扑结构、改进路由算法和调整传输参数等方法，可以减小网络的延迟。

无线传感器网络中的网络拓扑和路由算法无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）是由大量部署在某一特定区域内的无线传感器节点组成的自组织、自配置的分布式传感器网络。

无线传感器网络的目标是通过无线通信和分布式数据处理，实现对环境的实时监测和信息采集。

在无线传感器网络中，网络拓扑和路由算法的设计与性能优化至关重要。

1. 网络拓扑网络拓扑在无线传感器网络中起着决定性作用，它定义了无线传感器节点之间的连接方式和排列结构。

常见的网络拓扑结构包括星型拓扑、网状拓扑和混合拓扑。

星型拓扑是最简单的拓扑结构，所有节点都直接与中心节点相连。

这种拓扑结构易于实现和管理，但中心节点成为单点故障，容易导致整个网络的瘫痪。

网状拓扑允许节点之间多对多的连接，节点之间形成一个复杂的网络结构。

这种拓扑结构在大规模网络中应用较多，具有容错性强的优点，但是节点之间的通信距离相对较远，容易导致能量的消耗增加。

混合拓扑将星型拓扑和网状拓扑结合起来，既能够保证网络的容错性，又能够减少能量的消耗。

例如，可以将多个星型拓扑的中心节点连接成网状结构，降低通信距离并提高网络的稳定性。

选择适当的网络拓扑结构是无线传感器网络设计的关键之一。

根据具体的应用场景和需求，可以采用不同的网络拓扑结构，以达到最佳的性能和效果。

2. 路由算法在无线传感器网络中，路由算法决定了传感器节点之间的数据传输路径。

设计合理的路由算法能够提高网络的可靠性、延迟和能量效率。

常见的无线传感器网络路由算法包括集中式算法和分布式算法。

（1）集中式算法：集中式算法由中央控制节点负责全局路由决策。

中央控制节点维护整个网络的拓扑信息，并根据特定的路由策略确定数据传输路径。

这种算法适用于规模较小的网络，具有较高的路由效率和准确性，但中央控制节点成为网络的瓶颈，并且对网络拓扑的实时变化敏感。

（2）分布式算法：分布式算法要求所有节点共同决策数据传输路径。

每个节点根据周围节点的信息，并利用本地决策规则选择下一跳节点。

无线传感器网络中的自组织与路由算法研究无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）是一种由大量分布式、自组织的无线传感器节点组成的网络系统，被广泛应用于环境监测、智能交通、物流追踪等领域。

在WSN中，自组织与路由算法是关键技术，它们的优化和研究对于提高网络的性能和能源效率至关重要。

一、无线传感器网络中的自组织算法自组织算法是指在网络节点之间通过本地的交互和信息共享实现网络组织和管理的过程。

在WSN中，节点间无线通信的能力有限，因此需要通过自组织算法来实现网络拓扑的构建、节点的自动配置和资源的协调分配。

1.1 重叠集群算法重叠集群算法是一种常用的自组织算法。

在该算法中，网络节点根据自身的位置和能量状况选择加入一个或多个覆盖区域重叠的集群，通过与其他节点的通信和协作，实现数据的聚集和传输。

1.2 分布式聚合算法分布式聚合算法是一种高效的数据处理方法。

在该算法中，网络节点通过本地计算和相邻节点间的数据交换，实现数据的聚合和压缩，减少网络传输的数据量和能量消耗，提高网络的传输效率。

1.3 多路径选择算法多路径选择算法是一种解决网络拓扑中单点故障的方法。

在该算法中，多个路径被同时建立和维护，以保证数据的可靠传输和网络的稳定性。

通过选择多个路径，可以提高网络的容错性和数据传输的可靠性。

二、无线传感器网络中的路由算法路由算法是指在WSN中为数据包选择适当的路径和转发节点的过程。

由于无线传感器节点的资源有限，如能源、处理能力和存储容量等，因此设计合适的路由算法对于延长节点寿命、降低能量消耗、提高网络吞吐量具有重要意义。

2.1 基于链路状态的路由算法基于链路状态的路由算法通过节点间的链路状态信息来选择最优路径。

该算法根据节点间的距离、负载等指标计算链路的状态，然后选择距离最近或负载最轻的节点作为下一跳，从而实现数据包的传输。

2.2 基于距离向量的路由算法基于距离向量的路由算法是一种分布式的路由选择方法。

无线传感器网络中的自组织路由算法设计无线传感器网络（WSN）是一种由许多小型传感器设备组成的、自治的、自适应的网络系统，这些传感器互相通信来协同完成分布式漫游和监测任务。

要想实现WSN的广泛应用，必须解决WSN面临的很多困难，例如：能源限制、通信延迟、传输容量受限等。

其中最重要的是网络中的路由问题。

路由是在WSN中非常困难的问题，因为WSN节点的能源受限，这使得传统的路由算法无法在WSN中应用。

因此，设计一种能够延长网络寿命和提高网络性能的路由算法是WSN研究的核心问题。

其中，自组织路由算法被认为是一种有效的方法，因为它不需要全局知识，而是通过节点之间的协作来计算最佳路由。

自组织路由算法是一种基于局部信息估计的路由协议，它的功率级别低，路由决策时间短，可以减少单个节点的能源消耗，并使WSN更加可靠。

自组织路由算法分为两类：基于位置的路由和基于拓扑的路由。

基于位置的路由算法利用节点位置信息计算节点之间的距离，最终确定路径，这类算法最好应用于自适应和高移动性的网络。

基于拓扑的路由算法则通过计算网络拓扑来寻找最短路径并传输数据，在不断变化的网络拓扑中也比较稳定和最优。

下面，我们将介绍三种自组织路由算法。

1. SPIN自组织路由算法（Self-Organizing Protocol INfrastructures）SPIN是一种基于数据传输与收集的无置中心网络（decentralized network）路由算法。

它利用节点发现和信息传递来减少路由开销和通讯延迟。

SPIN 算法的特点是：信息收集与传输过程完全无中心，能够自适应调整网络拓扑，这样可以有效减少数据包转发路径并节省能源。

同时，由于它使用方向性信息轮询的方式，可以保证数据包批量处理，提高转发效率。

2. AODV基于反应式网络的路由算法（Ad-hoc On-demand Distance Vector Routing，AODV）属于一种基于转发表的分组交换和数据传输路由算法。

无线传感器网络中的拓扑构建及路由优化方法无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是一种由大量无线传感器节点组成的网络系统，广泛应用于物联网、环境监测、军事侦察等领域。

在WSN中，拓扑构建和路由优化是关键问题，直接影响其性能和可靠性。

拓扑构建是指如何在大规模传感器节点中确定节点的位置和连接方式，以形成一个高性能的网络拓扑结构。

常见的拓扑构建方法包括全局视图法、基于位置的方法和无中心化分布式方法。

全局视图法是通过预先布置一些参考节点，利用测距或测向等技术获取节点之间的距离和相对位置关系。

根据这些信息，可以通过数学建模和优化算法来生成具有良好性能的拓扑结构。

这种方法的优点是能够获得较好的拓扑性能，但缺点是需要额外的设备和成本，并且对环境要求较高。

基于位置的方法是利用传感器节点本身具有的位置信息来构建拓扑结构。

通过利用节点之间的距离和位置信息，可以建立起节点之间的连接关系。

这种方法的优点是不需要额外的设备，且适用于大规模网络，但缺点是节点位置信息的获取存在误差，可能导致拓扑结构不稳定。

无中心化分布式方法是利用节点之间的交互信息和自组织能力来构建拓扑结构。

节点通过无线通信交换信息，根据邻居节点的状态和负载情况自适应地建立连接关系。

这种方法的优点是无需全局信息和位置信息，适用于动态网络环境，但缺点是可能产生不稳定的拓扑结构，且路由复杂度较高。

对于无线传感器网络中的路由优化问题，主要涉及路径选择、负载均衡和能量管理等方面。

常用的路由优化方法包括基于跳数的方法、能量感知路由和拓扑相关路由。

基于跳数的方法是通过统计路径上的跳数来选择最短路径，这种方法简单且适用于小规模网络，但容易忽视网络拓扑和负载的差异。

能量感知路由是基于节点能量状态的路由优化方法。

节点的能量消耗是WSN中的重要问题，能量消耗不平衡会导致网络寿命缩短。

能量感知路由根据节点的能量状态选择能量较高的节点进行路由，以实现能量均衡和延长网络寿命的目的。

基于模糊理论的无线传感器网络多层分簇式路由算法陆亚芳;易可夫;冯绪;万江文【摘要】In order to reduce the energy consumption and prolong the network lifetime of wireless sensor networks ( WSNs) ,an efficient multi-layer routing protocol through fuzzy logic based clusteringmechanism( MLFC) for WSNs is proposed. The MLFC mainly includes three steps. First,the network is divided into several layers based on the re-lationship between communication distance and energy. Second, cluster headers are elected among layers through fuzzy logic according tonode’s remaining energy, distribution density and concentration. Nodes join the cluster formed by the nearest cluster headers. Third,data packets are transmitted to the base station layer by layer. A multi-hop routing is constructed. Experiment results show that the MLFC is of benefit to balance the nodes energy consumption and achieves an evident improvement of network lifetime.%为了进一步降低无线传感器网络的能量消耗，延长网络寿命，提出一种基于模糊理论的多层分簇式路由算法（ MLFC)。

具有小世界现象的无线传感器网络构造方法张静莲;刘三阳;张朝辉【期刊名称】《信号处理》【年(卷),期】2017(033)003【摘要】小世界特性是复杂网络最重要的特性之一,将小世界理论引入到无线传感器网络(WSNs),对优化网络拓扑结构及提高其性能具有十分重要的意义.提出了一种新的具有小世界现象的WSNs构造方法RSLCS (Removing Superfluous Links and Creating Shortcuts).该方法首先基于对集聚系数的分析,有选择性地删除一些边,然后基于Sink节点建立捷径,两个步骤交替进行,直到两个小世界特性同时达到最优.仿真表明此方法不仅增大了网络的集聚系数,降低了平均路径长度,使网络具有明显的小世界特性,而且简化了网络拓扑结构,使网络在低冗余的条件下具有好的抗毁性.%Small world property is one of the most important properties of complex networks.The theory of small world network is introduced into wireless sensor networks (WSNs),which is very important to optimize topology and improve the network performance of wireless sensor networks.A new approach RSLCS (Removing Superfluous Links and Creating Shortcuts) is proposed to construct wireless sensor networks with small world phenomenon.This method first selectively removes some links by the analysis of clustering coefficient,then creates shortcuts based on the Sink node.Two steps alternately operate until the two characters of small world (high clustering coefficient and small average path length) achieve the optimal.Simulation results show that this method not only can improvethe clustering coefficient and reduce the average path length,which make the network have obvious small world characteristics,but also simplify the topology structure of the network and make the network have good invulnerability under low redundancy conditions.【总页数】5页(P417-421)【作者】张静莲;刘三阳;张朝辉【作者单位】西安电子科技大学数学与统计学院,陕西西安710126;西安电子科技大学数学与统计学院,陕西西安710126;西安电子科技大学数学与统计学院,陕西西安710126【正文语种】中文【中图分类】TP393【相关文献】1.基于小世界模型的无线传感器网络层次型路由算法 [J], 韦世红;唐起超2.基于小世界特征的无线传感器网络拓扑优化 [J], 罗小娟;黄如3.一种高效节能的小世界无线传感器网络 [J], 柳艳;肖旻;王纪军;陈咏秋;徐明生4.具有小世界效应的无线传感器网络构造方法研究 [J], 刘明;伍燕平;于明远5.基于小世界现象的无线传感器网络拓扑优化 [J], 叶秀彩;许力;林力伟因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

无线网络中的一种基于小世界模型的路由协议胡福林;肖海军【期刊名称】《计算机工程与科学》【年(卷),期】2008(030)008【摘要】最近,利用节点的移动性提升网络系统性能的方法引起了不少关注.这些方法已经被运用于包括移动Ad hoc网络(MANET)、无线传感网络(WSN)和容忍延时网络(DTN)在内的一些新兴网络中,他们都认为节点是随机或者可控移动的.为了达到优化或平衡包括延时、平均中继节点数目和移动距离在内的一些度量参数的目的,本文提出了一种基于小世界模型的路由协议(SWR).通过分析,该协议只有多对数数量级的中继节点,大大减少了报文传输过程中中继节点的数量.文中定义了短链接与长链接的概念,其中每一节点与其最邻近的节点之间存在"短"链接,而与其他遵循某一概率分布的节点间存在着"长"链接.短链接通常是无线链接,而长链接通常是利用移动节点来实现的.本文在网络规模、使用数据搭乘者、多重长链接和等待移动节点时间方面进行了分析.通过仿真结果,我们对各方面性能进行了评估.【总页数】7页(P30-35,56)【作者】胡福林;肖海军【作者单位】华中科技大学计算机科学与技术学院,湖北,武汉,430074;中国地质大学数学与物理学院,湖北,武汉,430074【正文语种】中文【中图分类】TP393【相关文献】1.P2P中一种基于小世界聚类的资源搜索模型 [J], 邹娟2.关系网格:一种基于小世界模型的社会关系网络 [J], 陈绍宇;宋佳兴;刘卫东;王诚3.一种基于小世界模型的EMBA潜在生源挖掘方法 [J], 胡鹤;王海泉;杨颖;杨文静4.基于小世界模型的无线Ad Hoc网络路由协议 [J], 王大星; 朱鹤鸣; 滕济凯5.基于小世界模型的无线Ad Hoc网络路由协议 [J], 王大星; 朱鹤鸣; 滕济凯因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。