第 1 章 绪论
1.1 研究的背景与意义
无线传感器技术是物联网技术的核心技术之一，同时与计算机技术、通信技术并列构成当代信息技术。无线传感器网络作为物联网的感知层部分，实现了物与物、物与网络之间的互联[1]，极大可能的帮助人类获取物理世界的信息，让人类在信息技术引领的浪潮中，颠覆对物理世界与感知世界的认知，开启了人类通过数字化认识物理世界的大门。
无线传感器网络是由大量节点组成，它们根据人类要求部署在特定区域，自组织形成采集数据、传输数据和处理数据的智能网络[2]，它改变了人类与物体联系的方式，在智能家居、医疗救治、军事防范、工业生产等方面发挥了巨大的作用。其中，传感器网络历经三个阶段的改进和发展，才形成了如今功能俱全的无线传感器网络。
第一阶段的传感器网络出现于 20 世纪 70 年代，也是 WSN 雏形形成的阶段，这个阶段的传感器网络中的节点数目较少，节点的部署方式简单，网络中的数据处理机制和数据传输机制也异常简单，传感器节点只能实现点与点之间简单的信息传输，且传感器节点没有计算能力。此时的传感器网络只能做获取简单信息的工作，应用相对较少；第二阶段的传感器网络存在于 20 世纪 80 年代至 90 年代后期，这时传感器网络已经发展成为智能化的网络，传感器节点具备了较强的感知能力、计算能力和通信能力，可以进行多种信息的获取和处理操作，实现了智能化现场设备和控制室的双向通信，其应用范围也相对较广阔一些；第三阶段的传感器网络就是存在时期为 21 世纪至今的无线传感器网络，此时的网络属于自主完成任务的智能型无线传感器网络，传感器节点除了具备感知、计算和通信能力以外，还兼具节能低功耗、实时等符合应用的独特设计，网络传输的多跳和自组织性能使得多功能信息获取能力大大提高，跨时代意义的 WSN 技术由此形成，也获得了全球的广泛性应用。
在国外，《Businessweek》杂志预测 WSN 将成为未来主导信息技术变革的四项技术之一[4]，美国的《MIT 技术评论》将 WSN 看作未来改变世界的十项科技技术之一[5]；在国内，WSN 已被国家相关部门重视，如被列为“十二五”期间的重点项目[6]，并要求相关部门制定了多项战略规划[7]，同时下发各高校和研究所多个WSN 项目基金和课题。目前，无线传感器网络的应用研究主要集中在分簇、网络安全、目标追踪、定位、路由协议、数据收集、节点分布等方面。其中，路由协议是指将传感器节点收集到的监测信息传输到 sink 节点或基站，它决定着网络数据传输的质量，当前部分学者已研究出针对能耗、数据包丢失率、数据传输速度、多路径等不同应用方向的路由协议；节点分布的均衡性则是网络数据收集的基础，可以避免网络覆盖漏洞的攻击和提高通信质量，更是学者从不同角度、不同方法进行研究分析的热点问题。这二者都是关于无线传感器网络研究的重要组成部分，因此，优秀的能量均衡的路由算法和节点均衡分布算法可以决定 WSN 通信服务质量和网络寿命。
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1.2 无线传感器网络概述
无线传感器网络是由散布在监测区域的传感器节点组成，这些节点兼具感知、通信和计算能力，它们之间通过相互协作将在自己感知半径内采集到的信息进行融合，并以多跳的传输方式将感知信息发送到汇聚节点或基站。无线传感器网络利用自身拥有的环境感知能力、数据传输能力以及数据处理能力，将物理世界与虚拟网络世界联系在一起，将引领世界科技发展的潮流。
在 WSN 中，虽然传感器节点之间的相互协作完成信息的传递，但是无线传感器系统完成项目的监测还需要借助于外界资源。一个完整的传感器系统的流程大致为：首先，传感器节点将处理后的信息发送至汇聚节点或基站，其次，汇聚节点或基站通过卫星或互联网将所得信息发送至任务处理模块，技术人员随后分析有用的数据，将得到的结论作用到系统中进行监测区域的控制。构成该系统的各部分如图 1.1 所示，功能介绍如下。
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第 2 章 WSN 路由协议和覆盖问题相关知识
2.1 WSN 路由协议概述
无线传感器网络在工作中，路由协议担负着将收集到的监测环境信息传输到基站的责任，正是由于路由协议在 WSN 系统中承上启下的连通功能，引起学术界在此领域的重视。路由协议主要实现两方面的功能，即寻找源节点与目的节点之间的优化路径和将收集到的信息正确安全的传输给基站。为了推动 WSN 技术的大众化，寻找更优异的路由算法，在研究路由协议时，需要根据无线传感器路由协议的特点对不同算法的评价指标进行对比。
2.1.1 WSN 路由协议特点及性能指标
3.1 相关知识................................ 29..............................
1.2 无线传感器网络概述
无线传感器网络是由散布在监测区域的传感器节点组成，这些节点兼具感知、通信和计算能力，它们之间通过相互协作将在自己感知半径内采集到的信息进行融合，并以多跳的传输方式将感知信息发送到汇聚节点或基站。无线传感器网络利用自身拥有的环境感知能力、数据传输能力以及数据处理能力，将物理世界与虚拟网络世界联系在一起，将引领世界科技发展的潮流。
在 WSN 中，虽然传感器节点之间的相互协作完成信息的传递，但是无线传感器系统完成项目的监测还需要借助于外界资源。一个完整的传感器系统的流程大致为：首先，传感器节点将处理后的信息发送至汇聚节点或基站，其次，汇聚节点或基站通过卫星或互联网将所得信息发送至任务处理模块，技术人员随后分析有用的数据，将得到的结论作用到系统中进行监测区域的控制。构成该系统的各部分如图 1.1 所示，功能介绍如下。
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第 2 章 WSN 路由协议和覆盖问题相关知识
2.1 WSN 路由协议概述
无线传感器网络在工作中，路由协议担负着将收集到的监测环境信息传输到基站的责任，正是由于路由协议在 WSN 系统中承上启下的连通功能，引起学术界在此领域的重视。路由协议主要实现两方面的功能，即寻找源节点与目的节点之间的优化路径和将收集到的信息正确安全的传输给基站。为了推动 WSN 技术的大众化，寻找更优异的路由算法，在研究路由协议时，需要根据无线传感器路由协议的特点对不同算法的评价指标进行对比。
2.1.1 WSN 路由协议特点及性能指标
无线传感器网络路由协议的特点决定了路由算法的研究方向。它主要有以下几方面：
(1)能量优先。因为传感器节点趋向于微量型发展，节点能量供应有限，且 WSN工作中数据收发消耗能量最高，所以 WSN 路由协议优先考虑网络能耗问题，以保证网络系统更长久运行。
(2)基于局部拓扑信息。节点微型发展虽然解决了部署隐蔽的问题，但是也导致了节点储存空间的限制。所以节点只能发现并储存周围节点的网络拓扑信息，而非整个网络，故路由算法也是基于有限的拓扑结构中完成。
(1)能量优先。因为传感器节点趋向于微量型发展，节点能量供应有限，且 WSN工作中数据收发消耗能量最高，所以 WSN 路由协议优先考虑网络能耗问题，以保证网络系统更长久运行。
(2)基于局部拓扑信息。节点微型发展虽然解决了部署隐蔽的问题，但是也导致了节点储存空间的限制。所以节点只能发现并储存周围节点的网络拓扑信息，而非整个网络，故路由算法也是基于有限的拓扑结构中完成。
(3)以数据为中心。节点乃至基站接收到的信息，只分析其数据结果，并不追究信息的传输源，这也是 WSN 路由协议与传统路由协议的区别。
(4)与具体应用相关。对路由协议的具体要求要视具体应用，若是应用于军事防护方面，路由协议需具备安全、实时和准确性的性能；若应用于救灾抢险方面，则需要具备较高性能的实时性和鲁棒性。
(4)与具体应用相关。对路由协议的具体要求要视具体应用，若是应用于军事防护方面，路由协议需具备安全、实时和准确性的性能；若应用于救灾抢险方面，则需要具备较高性能的实时性和鲁棒性。
根据路由协议的特点，可以得到评价对比路由算法性能的几项指标：
(1)能量消耗。能耗问题制约着 WSN 的发展，对能耗问题的评判可以衡量路由算法优异性。
(2)时间延迟。在特定应用中，对网络数据的实时性要求较高，传输数据的时间延迟过长可能会造成人力物力和财产的损失。
(3)分组丢失率。数据传输过程中数据包的丢失率决定了路由算法的优劣，好的路由算法能将 90%的数据包安全完整的传送至基站。
(4)收敛性。网络内新节点的加入或部分节点死亡会导致拓扑结构的不断变化，由于网络资源和能量有限，所以收敛性能强大可以保证网络工作效率的提高。
(5)容错性。网络节点随机分布，能量耗尽而失效节点的出现会打乱原有路由算法数据传输秩序，强大路由算法容错措施能提高网络工作效率。
(6)能量均衡。路由算法中保障能量均衡可以防止网络结构中关键节点的过早衰退，从而导致网络寿命和网络服务质量下降。
(2)时间延迟。在特定应用中，对网络数据的实时性要求较高，传输数据的时间延迟过长可能会造成人力物力和财产的损失。
(3)分组丢失率。数据传输过程中数据包的丢失率决定了路由算法的优劣，好的路由算法能将 90%的数据包安全完整的传送至基站。
(4)收敛性。网络内新节点的加入或部分节点死亡会导致拓扑结构的不断变化，由于网络资源和能量有限，所以收敛性能强大可以保证网络工作效率的提高。
(5)容错性。网络节点随机分布，能量耗尽而失效节点的出现会打乱原有路由算法数据传输秩序，强大路由算法容错措施能提高网络工作效率。
(6)能量均衡。路由算法中保障能量均衡可以防止网络结构中关键节点的过早衰退，从而导致网络寿命和网络服务质量下降。
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2.2 WSN 覆盖研究概述
覆盖研究是无线传感器网络基础性的研究课题，它关乎到网络通信质量、通信速度、网络生存周期[44]等一系列问题，做好网络覆盖能够增强 WSN 通信的连通性、合理利用网络能量的有效性、提高网络服务质量、提高网络节点定位的精准度、促进节点之间相互协作等。部分学者根据不同应用需求致力于不同覆盖类型问题的研究，以便提高无线传感器网络的基础服务性能，促进无线传感器网络的推广应用，但是评判网络覆盖效果还是主要根据以下指标。
2.2.1 WSN 覆盖的评价指标
无线传感器网络覆盖范围的评价指标会根据不同应用需求而有所不同，但是常用的评价指标大致如下：
(1)覆盖能力。覆盖能力包括监测区域的覆盖范围、覆盖质量等，它们可以直观的判断出覆盖能力的强弱，只要能实现对监测目标的精准高质量的覆盖，这便是优质的覆盖算法。
(2)网络连通度。无线传感器网络是由散落在监测区域的节点自发组织形成的网络，保持节点之间的连通性是网络进行通信的基本要求，它决定着信息接收的及时性和时效性，这也直接影响着网络的通信服务质量。
(3)能量有效性。能耗问题一直是 WSN 研究的热点问题，它同时也制约着网络覆盖方面的研究进展。通过在网络部署合理的节点，加上对节点睡眠/唤醒控制、功率控制等，可以实现网络能量利用率的最大化，而且实现能量的均衡也是为了实现网络覆盖的最优化性能。
(4)容错性。WSN 中不管在网络部署前期节点多么均衡，也会因为恶劣的外界环境或节点能量不足等原因出现网络覆盖漏洞或节点障碍问题，所以就需要覆盖算法能够有解决这些问题的自愈能力，通过部署移动节点或者改变节点属性等方式来解决覆盖盲区或漏洞问题。
(5)可扩展性。WSN 节点监测的信息都是人类无法便易获取的信息，所以当网络规模、拓扑结构、监测任务发生变化时，需要强大的覆盖算法来配合这些变动，以便提高整体的网络性能。
2.2 WSN 覆盖研究概述
覆盖研究是无线传感器网络基础性的研究课题，它关乎到网络通信质量、通信速度、网络生存周期[44]等一系列问题，做好网络覆盖能够增强 WSN 通信的连通性、合理利用网络能量的有效性、提高网络服务质量、提高网络节点定位的精准度、促进节点之间相互协作等。部分学者根据不同应用需求致力于不同覆盖类型问题的研究，以便提高无线传感器网络的基础服务性能，促进无线传感器网络的推广应用，但是评判网络覆盖效果还是主要根据以下指标。
2.2.1 WSN 覆盖的评价指标
无线传感器网络覆盖范围的评价指标会根据不同应用需求而有所不同，但是常用的评价指标大致如下：
(1)覆盖能力。覆盖能力包括监测区域的覆盖范围、覆盖质量等，它们可以直观的判断出覆盖能力的强弱，只要能实现对监测目标的精准高质量的覆盖，这便是优质的覆盖算法。
(2)网络连通度。无线传感器网络是由散落在监测区域的节点自发组织形成的网络，保持节点之间的连通性是网络进行通信的基本要求，它决定着信息接收的及时性和时效性，这也直接影响着网络的通信服务质量。
(3)能量有效性。能耗问题一直是 WSN 研究的热点问题，它同时也制约着网络覆盖方面的研究进展。通过在网络部署合理的节点，加上对节点睡眠/唤醒控制、功率控制等，可以实现网络能量利用率的最大化，而且实现能量的均衡也是为了实现网络覆盖的最优化性能。
(4)容错性。WSN 中不管在网络部署前期节点多么均衡，也会因为恶劣的外界环境或节点能量不足等原因出现网络覆盖漏洞或节点障碍问题，所以就需要覆盖算法能够有解决这些问题的自愈能力，通过部署移动节点或者改变节点属性等方式来解决覆盖盲区或漏洞问题。
(5)可扩展性。WSN 节点监测的信息都是人类无法便易获取的信息，所以当网络规模、拓扑结构、监测任务发生变化时，需要强大的覆盖算法来配合这些变动，以便提高整体的网络性能。
(6)算法复杂度。通信方式、算法运行时间和算法实现方式是影响覆盖算法复杂度的主要方面，算法运行时间越短，实现方式越简单，占用网络资源越少，说明覆盖算法越优秀，才能更好地协助网络监测区域的不断变化。
衡量覆盖算法的优劣还有很多方面，如感知质量、时间延迟、算法精确性等等，主要是根据不同应用需求去寻找合适的覆盖策略。
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第 3 章 基于改进蚁群算法的 WSN 能量均衡路由算法............................................ 29
衡量覆盖算法的优劣还有很多方面，如感知质量、时间延迟、算法精确性等等，主要是根据不同应用需求去寻找合适的覆盖策略。
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第 3 章 基于改进蚁群算法的 WSN 能量均衡路由算法............................................ 29
3.1.1 算法思想...................................... 29
3.1.2 路由模型.................................. 30
第 4 章 基于 AVMC 算法的 WSN 节点分布优化策略.................................47
4.1 相关知识...................................... 48
4.1.1 算法思想................................... 48
4.1.2 问题描述...................................... 48
第 5 章 总结与展望............................. 61
5.1 总结.................................... 61
5.2 展望................................... 61
第 4 章 基于 AVMC 算法的 WSN 节点分布优化策略
4.1 相关知识
4.1.1 算法思想
通过对以往学者研究成果[71-74]进行钻研，并针对对以往研究方法存在的问题，结合蚁群算法、拟物力算法和质心算法，提出一种基于 AVMC 算法的 WSN 节点分布优化策略。首先，用蚁群算法在随机分布的节点中搜索合理的节点，把问题解转换为简单的线性问题，再将选取的节点用拟物力算法移动节点位置进行优化，其中在拟物力算法中引入边界约束力，以实现边界区域节点的位置优化，最后，质心算法实现节点于 Voronoi 多边形内部的位置精度优化。仿真结果表明，AVMC算法解决了无线传感器网络中的节点冗余问题，提高了网络覆盖率，并使得网络节点分布更加均衡。
4.1.2 问题描述
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第 5 章 总结与展望
5.1 总结
虽然无线传感器技术已广泛应用在现代社会生活中，但是提高 WSN 中路由协议和覆盖算法的性能仍然是当前学者研究的基础问题和热点问题。本文主要针对路由协议能量均衡问题和区域覆盖问题进行了研究和改进。
在路由协议改进算法中，采用了集群智能算法-蚁群算法进行优化改进。在网络随机节点分布后，将网络中的节点按照距离进行分层，随后，在随机选取的初始节点选择下一跳节点时的概率公式中，加入限制搜索角、介能距离和能量因子的因素，这样能保证路由协议在能量充足条件下选择最短的路线。最后，当蚂蚁到达目的节点后，使用全局和局部“费洛蒙”浓度更新相结合的方式对相应路径进行“费洛蒙”更新。通过以上改进，该路由协议相比于基本蚁群算法、遗传算法和 IEEABR 等改进的路由方法在能量消耗、介数中心数、平均跳数等方面都有不同程度的提高，确实实现了能量均衡的目的。
4.1.1 算法思想
通过对以往学者研究成果[71-74]进行钻研，并针对对以往研究方法存在的问题，结合蚁群算法、拟物力算法和质心算法，提出一种基于 AVMC 算法的 WSN 节点分布优化策略。首先，用蚁群算法在随机分布的节点中搜索合理的节点，把问题解转换为简单的线性问题，再将选取的节点用拟物力算法移动节点位置进行优化，其中在拟物力算法中引入边界约束力，以实现边界区域节点的位置优化，最后，质心算法实现节点于 Voronoi 多边形内部的位置精度优化。仿真结果表明，AVMC算法解决了无线传感器网络中的节点冗余问题，提高了网络覆盖率，并使得网络节点分布更加均衡。
4.1.2 问题描述
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第 5 章 总结与展望
5.1 总结
虽然无线传感器技术已广泛应用在现代社会生活中，但是提高 WSN 中路由协议和覆盖算法的性能仍然是当前学者研究的基础问题和热点问题。本文主要针对路由协议能量均衡问题和区域覆盖问题进行了研究和改进。
在路由协议改进算法中，采用了集群智能算法-蚁群算法进行优化改进。在网络随机节点分布后，将网络中的节点按照距离进行分层，随后，在随机选取的初始节点选择下一跳节点时的概率公式中，加入限制搜索角、介能距离和能量因子的因素，这样能保证路由协议在能量充足条件下选择最短的路线。最后，当蚂蚁到达目的节点后，使用全局和局部“费洛蒙”浓度更新相结合的方式对相应路径进行“费洛蒙”更新。通过以上改进，该路由协议相比于基本蚁群算法、遗传算法和 IEEABR 等改进的路由方法在能量消耗、介数中心数、平均跳数等方面都有不同程度的提高，确实实现了能量均衡的目的。
在覆盖算法的研究中，通过对蚁群算法、拟物力算法和 Voronoi 多边形质心算法的结合使用，使改进的覆盖算法在删除冗余节点后，覆盖率、覆盖效率都比随机覆盖的 100 个节点和蚁群算法选择的节点这两个方法要高。其中，根据节点最佳部署定理，蚁群算法设置了合理的节点搜索半径，这有效的去除了冗余节点；拟物力算法中，结合拟万有引力和拟库仑力的方法，并提出边界约束力的概念，使得节点分布均衡，并保护节点被排斥至边界外；最后，根据 Voronoi 图的特性即点与点之间根据垂直平分线形成 Voronoi 多边形，采用质心算法，使得拟物力作用后的节点分布位置更加精准。该节点覆盖方法不仅达到了网络覆盖要求，而且不需多次算法迭代，实现简单，效率较高。
参考文献（略）