随着短距离无线通信和微机电技术的蓬勃发展,无线传感器网络(Wireless sensor networks-WSNs)在环境监测、国防军事、农业生产等领域得到了广泛应用。但由于WSNs工作在恶劣的环境中,节能和安全成为研究面临的重要挑战之一。分簇和安全路由是解决该问题的主要手段,但现有的方法存在聚类数无法确定、最优簇头和最佳路由路径选择偏差导致网络能量效率低、节点因受到内部攻击造成数据丢失等问题。因此,本文采用亲和传播和智能优化算法、角度模型以及信任机制等方法,有效提高网络能量效率和安全性能。具体研究内容如下:(1)针对WSNs分簇路由协议无法确定最佳簇数,难以形成最优聚类这一问题,提出一种基于亲和传播和混沌狮群优化的无线传感器网络分簇路由协议(Clustering Routing Protocol for Wireless Sensor Networks Based on Affinity Propagation and Chaotic Lion Swarm Optimization,APCLO)。该协议首先基于节点的能量和距离因子改进亲和传播算法(AP),以自适应地获得网络所需的最优簇数,以及作为参考节点的初始簇头(CHs)。之后,APCLO根据簇内能量消耗、节点剩余能量和到基站的距离构建适应度函数,通过狮群优化算法搜索最优簇头,并在搜索过程中引入混沌映射以提高收敛速度。最后,从网络生命周期、网络能耗等方面进行了仿真测试,验证了所提方法的性能。(2)针对WSNs分簇路由协议中继节点搜索范围广,能量均衡性差这一问题,提出了一种最优中继角的无线传感器网络分簇路由协议(Wireless Sensor Network Cluster Routing Protocol Based on Optimal Relay Angle,RACR)。首先,RACR基于节点的剩余能量、密度和到邻居节点的平均距离构成适应度函数来选举簇头。此外,RACR通过能量不断调整各因素对簇头选择的影响。RACR采用多跳路由,以减小能耗为目标,根据所选簇头到基站(BS)的距离计算最优中继角度。每个簇头在中继角度约束范围内选择与其距离较近、剩余能量较高、负载较小的簇头作为下一跳中继节点。RACR从网络生命周期、能耗均衡以及网络吞吐量等方面进行了仿真测试,验证了所提方法的有效性。(3)针对WSNs分簇路由协议容易遭受内部节点攻击,安全性较弱这一问题,提出一种基于信任机制的无线传感器网络安全路由协议(Secure Routing Protocol for Wireless Sensor Networks Based on Trust Mechanism,SRPTM)。该协议的通过建立一个信任模型以判断节点的可信度,并将信任值引入到提出的分簇路由协议中。首先通过与邻居节点信息交互的成功率来获得直接信任和间接信任。然后,通过调节权重因子加权两个信任值和历史信任,获得综合信任值。SRPTM旨在最小化网络传输距离,并结合节点的信任值和能量来选择最优簇头。在选择路由路径时,SRPTM基于最优中继角度模型选择最优中继节点,并考虑约束范围内簇头的信任值、能量和传输距离。从网络丢包率、网络生命周期以及能效等方面进行了仿真测试,结果表明SRPTM能有效提供网络的安全性能。本文针对无线传感器网络分簇和安全路由问题展开深入研究,提出了APCLO、RACR、SRPTM三种协议解决WSNs分簇路由存在的聚类不均匀、能量效率低,网络数据丢失等问题。仿真结果表明所提协议在延长网络寿命、均衡网络能耗、提高能量效率和网络安全性等方面取得了良好性能,可广泛应用于WSNs环境监测、物流配送以及医疗保健等领域,具有一定理论价值和实际应用意义。
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