智能家居无线传感器网络路由

《智能家居无线传感器网络路由》可供从事无线传感器网络和智能家居网络的各类工程技术人员参考，亦可作为高等院校相关专业教师和研究生的教学参考书。本书系统介绍了智能家居无线传感器网络路由的理论、方法和实际应用问题。全书分五个部分共十章，主要包括智能家居无线传感器网络协议ZigBee协议的路由研究；智能家居无线传感器网络的AODVjr路由的改进研究；智能家居无线传感器网络局部单播路由研究；基于复杂网络理论的智能家居无线传感器网络路由研究；智能家居无线传感器网络的分簇算法和智能家居能耗控制算法研究。本书所提出的理论，方法和技术实现要点是作者多年从事智能家居无线传感器网络路由的研究成果与实际经验的。

物联网产业是我国战略性新兴产业的重要组成部分，已深入经济社会各个行业领域。发展物联网是促进传统产业转型升级的重要手段，在智能家居系统中应用物联网，将有力推进产业化和信息化的深度融合，从而促进我国经济和信息技术的向前发展。无线传感器网络无需布线，易于配置和扩展，低成本和低功耗的特点，使其逐渐成为未来智能家居物联网的发展主流和研究热点。能量高效和可靠传输的路由算法在智能家居无线传感器网络（Wireless Sensor Networks for Smart Home，简称WSNSH）通信中起着至关重要的作用，研究智能家居无线传感器网络路由技术无论是从无线传感器网络理论研究的角度，还是从智能家居物联网的实践角度，都有重要理论意义和广泛应用前景。

目前针对智能家居无线传感器网络路由的研究还没有系统专门的介绍，本书作者博士和博士后阶段对智能家居无线传感器网络路由算法进行了多年的研究积累。为促进学术和技术交流，作者撰写本书以求共同进步，为智能家居物联网技术作一点贡献，为智能家居无线传感器网络路由设计提供一种新的思路和途径。到目前为止，书中所涉及的相关路由算法已在国际期刊、会议上公开发表。书中重点研究了智能家居无线传感器网络的路由算法，采取了网络仿真的方法研究所有关键算法的有效性和算法运行性能，取得了一些具有一定创新性的研究成果。本书共5部分，按提出问题，分析问题，解决问题的思路，循序渐进地阐述了作者的研究结果：

1、对工程实践中广泛使用的智能家居无线传感器网络协议ZigBee进行了详细的仿真研究，并提出了在工程实际应用中对ZigBee的层次路由和AODVjr路由进行改进的方案。

2、在第1部分的研究结果中，作者发现ZigBee的AODVjr路由算法主要采取洪泛的方式查找路由，洪泛查找路由带来的直接问题是网络节点能量消耗过大，易产生MAC层广播风暴，从而引起实际应用中网络数据包投递率过低。因此，作者从如何限定和调整洪泛路由区域的角度研究了AODVjr的一些改进方法以达到提高智能家居无线传感器网络路由的数据包投递率的目的。

3、在第2部分的研究结果中，作者发现使用洪泛或区域性洪泛技术查找路由时节点能耗和通信开销仍然较高，还是会引起MAC层负担过重的问题。因此，作者研究了如何在智能家居无线传感器网络路由中引入启发式的局部单播路由决策的方法。

4、在第3部分的研究结果中，作者发现虽然在智能家居无线传感器网络路由中引入启发式的局部单播路由决策方法达到了网络节点能耗有效降低，数据包投递率显著提高的目的，但是出现了网络能耗不均衡的现象。因此，作者研究了如何将复杂网络理论引入到启发式的局部单播路由决策中，将网络流量以更为均衡的方式分配到网络中的多条路径上，延长了智能家居无线传感器网络生命期。

5、在研究智能家居无线传感器网络路由通信的基础上，对智能家居无线传感器网络应用展开了探索性研究。主要研究了有关智能家居无线传感器网络的分簇算法和智能家居能耗控制算法。

本书的出版得到了国家自然科学基金（项目号：61105070，61104215）、湖北省高等学校优秀中青年科技创新团队计划项目（项目号：T201302）、国家国际科技合作专项项目（项目号：2013DFG72850）、国家重点基础研究发展计划项目（973项目，项目号：2012CB724400）的资助和电子工业出版社的大力支持，在此致以由衷的谢意。

书的撰写过程中得到了我的博士导师，武汉科技大学方康玲教授和我的博士后合作导师华中科技大学关治洪教授的指导和支持。两位教授渊博的学识、谦和的为人，宽广的胸怀，严谨的治学态度，开拓进取的创新意识都深深地影响着我，是我今后工作中学习的楷模，在此我谨向两位教授表示深深的敬意和衷心的感谢。

书的撰写期间，作者曾多次前往韩国Hanyang大学无线传感器网络研究中心学习和交流，受到了该中心负责人Hong Seung Ho教授的悉心指导，他为作者提供了良好的科研环境以及大量参与工程实践锻炼的机会。Hong教授渊博的学识，严谨的治学态度和忘我的工作精神深深地激励着作者。在该中心的学习使作者受益匪浅，在此对Hong Seung Ho教授表达最诚挚的谢意。

书的出版还得到了以下领导、专家的关心，指导和支持，在与这些教授，专家的长期学术交流、合作过程中收益很大，在此深表感谢，他（她）们是武汉科技大学柴利教授、吴怀宇教授、陈和平教授、王斌教授、刘振兴教授、吴谨教授、顾进广教授、刘斌教授、张涛教授和杨永立教授，澳大利亚Queensland University of Technology的田玉楚教授，国家电网信息通信有限公司博士后张翼英，北京邮电大学崔宝江教授，德国法兰克福大学的博士后潘林，中国电力科学研究院计量研究所所长章欣、副所长徐英辉和高级工程师赵兵，韩国LSI公司Kwon Bong Hyun常务，韩国Nestfield公司Kim Dae Joo常务，武汉研能科技有限公司严宇峰经理，武汉麦希力德科技有限公司鲁彦玉经理。

作者的工作还得到以下领导，教授和同事的热情帮助与支持，在此表示感谢，他（她）们是：武汉科技大学马娅婕博士、黄卫华博士、章政博士、蒋铮博士、刘晓玉博士、黄浩军博士、赵敏老师、陈彬老师、刘毅敏老师、周红军老师、方红萍老师、杨玲贤老师、徐望明老师、梁开老师等，华中科技大学姜晓伟博士、曲峰林博士、池明博士、陈超洋博士和王宝贤博士，韩国Hanyang大学的丁月民博士、段权珍博士和余萌萌博士，

感谢在该领域早期探索并有诸多贡献的先行者们，没有他们的贡献这本书将难以为继并顺利完成。由于篇幅限制，还有不少同志为本研究成果与本书做了不少工作，在此不能一一列出，谨向所有同志致以衷心的感谢！

特别感谢我的父母，他们在我多年的求学生涯中给与我充分的理解、鼓励和支持，他们的默默奉献使我有更多的时间和精力投入科研之中，感谢他们为我所做的一切；感谢我的丈夫冯文利，他的理解每每使我倍感温暖，还有我的女儿冯悦辰的开朗的笑声使我忘记疲劳。谨以此书献给他们！

由于作者水平有限，书中错误和缺点在所难免，欢迎读者批评指正。

作者

第一章绪论9

1.1引言9

1.2国内外研究现状10

1.2.1无线传感器网络路由设计的研究现状10

1.2.2智能家居的无线传感器网络路由的研究现状13

1.3全书结构安排13

第二章智能家居无线传感器网络15

2.1无线传感器网络概述15

2.1.1无线传感器网络及其应用15

2.1.2无线传感器网络的特点17

2.1.3传感器网络的体系结构17

2.2智能家居的应用领域18

2.3智能家居无线传感器网络结构19

2.4智能家居常用的无线网络协议20

2.4.1IEEE802.15.4/ZigBee20

2.4.2其它标准20

2.5WSNSH的链路稳定性分析21

2.5.1室内无线传播模型21

2.5.2链路稳定性分析22

2.6WSNSH中的定位服务24

2.6.1WSN中的定位算法24

2.6.2WSNSH中的定位服务25

2.7智能家居无线传感器网络路由的需求25

2.8本章小结26

第三章ZigBee路由协议的分析和路由策略的改进27

3.1IEEE802.15.4协议27

3.1.1概述27

3.1.2基于IEEE802.15.4的传感器网络性能特点28

3.2ZigBee路由算法28

3.2.1层次路由29

3.2.2AODVjr30

3.2.3路由实现31

3.3ZigBee路由仿真分析32

3.3.1仿真性能衡量指标32

3.3.2仿真参数及场景设计33

3.3.3仿真结果和性能分析36

3.4ZigBee路由策略改进42

3.4.1层次路由算法的改进42

3.4.2ZigBee路由策略改进43

3.4.3实验结果和分析44

3.5本章小结45

第四章基于位置信息的动态自适应路由算法47

4.1基于位置信息的路由研究综述47

4.1.1利用位置信息限定路由查找区域48

4.1.2利用位置信息确定路由下一跳50

4.1.3利用位置信息实现分层路由51

4.2研究背景52

4.3WSNSH—LBAR中路由请求域的定义53

4.3.1路由发现53

4.3.2请求域的定义54

4.3.3仿真及性能分析58

4.4WSNSH—LBAR中路由请求域的动态调整61

4.4.1Rzone的大小对数据包投递率的影响61

4.4.2基于贝叶斯估计的Rzone的动态调整62

4.4.3仿真及性能分析66

4.5WSNSH—LBAR仿真及性能分析68

4.6本章小结71

第五章基于动态混合查找的自适应路由算法72

5.1网络模型72

5.2自适应路由算法73

5.2.1折半查找和指数查找73

5.2.2请求域的半径搜索策略73

5.3仿真及性能分析75

5.4本章小结77

第六章基于位置信息的启发式路由算法78

6.1研究背景78

6.2启发式算法概述79

6.2.1智能仿生类算法80

6.2.2启发式搜索算法80

6.3基于位置信息的启发式路由算法82

6.3.1A*算法在路由中的应用82

6.3.2基于位置信息的启发式路由算法84

6.3.3链路状态分类85

6.4仿真及性能分析86

6.5本章小结90

第七章基于局部网络介数的能量均衡路由研究91

7.1研究背景92

7.1.1复杂网络理论92

7.1.2无线传感器网络和复杂网络95

7.2局部贪婪转发97

7.3局部网络介数97

7.3.1网络介数98

7.3.2局部网络介数98

7.4基于局部网络介数的路由算法99

7.4.1算法描述99

7.4.2一个简单的路由例子100

7.5仿真及性能分析102

7.5.1网络模型102

7.5.2网络场景102

7.5.3仿真结果及性能分析103

7.5本章小结107

第八章具有基站的智能家居无线传感器网络分簇算法108

8.1分簇算法研究综述108

8.1.1链路分簇算法109

8.1.2加权分簇算法109

8.1.3层次分簇算法110

8.1.4网格分簇算法112

8.2研究背景113

8.3具有基站的智能家居无线传感器网络分簇算法114

8.3.1K—means114

8.3.2簇数目的范围115

8.3.3簇头选择算法116

8.3.4簇生成算法118

8.3.5仿真效果119

8.4本章小结120

第九章基于用户期望价格的需求响应模型研究121

9.1系统模型和问题定义121

9.1.1需求响应算法的输入122

9.1.2需求响应算法的输出123

9.2基于用户期望价格的需求响应算法设计123

9.2.1负荷转移124

9.2.2能量存储系统与需求响应算法的集成127

9.2.3需求响应算法128

9.3仿真及性能分析131

9.3.1仿真1131

9.3.2仿真2134

9.4本章小结137

第十章结论和展望138

10.1工作总结138

10.2进一步工作展望139

参考文献140

李晓卉，工学博士，现任武汉科技大学信息科学与工程学院副教授，硕士生导师。研究兴趣为无线传感器网络技术，智能家居控制，复杂网络理论，智能电网理论及应用等。

《无线传感器网络:路由协议与数据管理》是作者从事多年的无线传感器网络路由协议和数据管理相关科研工作实践的结晶。路由协议侧重于分簇路由技术的研究，重点是通过网络分簇优化及网络分簇和簇问路由的有机结合，缓解或避免由于传感器节点能耗不均所导致的网络“热点”问题和“能量空洞”现象，构建能量高效均衡的无线传感器网络分簇路由协议。数据管理着重从节点数据管理特点、网络拓扑控制、节点分类管理和节点感知数据预测四个方面进行了比较系统的研究。《无线传感器网络:路由协议与数据管理》由重庆邮电大学蒋畅江组织撰写和统稿，并由向敏撰写。

第1篇 概述

第1章 无线传感器网络概述 2

1.1 无线传感器网络的基本概念 2

1.2 无线传感器网络的系统结构 2

1.3 无线传感器网络的体系结构 3

1.4 无线传感器网络的特点 4

1.5 无线传感器网络的关键技术 5

1.6 无线传感器网络的应用前景 6

1.7 本书章节安排 7

参考文献 8

第2篇 无线传感器网络路由协议

第2章 无线传感器网络路由协议概述 12

2.1 无线传感器网络路由协议的设计要求 12

2.2 无线传感器网络路由协议分类方法 13

2.3 无线传感器网络平面路由协议 14

2.3.1 几个典型的平面路由协议 14

2.3.2 平面路由协议和分簇路由协议比较 15

2.4 无线传感器网络分簇路由协议 16

2.4.1 分簇路由协议的网络结构 16

2.4.2 分簇网络中节点能耗分析 17

2.4.3 分簇路由协议的性能评价 18

2.4.4 分簇路由协议的核心问题 19

2.4.5 现有的重要分簇路由协议解析 20

2.4.6 几个典型的分簇路由协议 22

2.4.7 存在问题及发展方向 30

2.5 本章小结 32

参考文献 32

第3章 基于PSO的两层分簇路由协议 38

3.1 引言 38

3.2 PSO算法简介 39

3.2.1 算法原理 39

3.2.2 算法流程 40

3.3 相关模型及假定 40

3.3.1 网络模型及假定 40

3.3.2 数据收集方式 41

3.3.3 无线通信能耗模型 41

3.3.4 数据融合模型 42

3.4 TL—EBC协议 42

3.4.1 簇的建立 43

3.4.2 稳态阶段 45

3.5 协议分析及仿真 45

3.5.1 协议分析 45

3.5.2 性能评价指标 47

3.5.3 协议仿真与分析 47

3.6 本章小结 54

参考文献 54

第4章 基于PSO的非均匀分簇路由协议 55

4.1 引言 55

4.2 网络非均匀分簇策略 56

4.3 相关模型及假定 57

4.4 EBUC协议 57

4.4.1 簇的建立 57

4.4.2 稳态阶段 60

4.5 协议分析及仿真 60

4.5.1 协议分析 60

4.5.2 性能评价指标 61

4.5.3 协议仿真与分析 62

4.6 本章小结 66

参考文献 66

第5章 分布式非均匀分簇路由协议 67

5.1 引言 67

5.2 相关模型及假定 68

5.3 DEEUC协议 68

5.3.1 簇的形成 69

5.3.2 簇间多跳路由 71

5.4 协议分析及仿真 73

5.4.1 协议分析 73

5.4.2 性能评价指标 74

5.4.3 仿真方法及参数 75

5.4.4 仿真结果分析 76

5.5 本章小结 83

参考文献 83

第6章 基于参数优化的分簇算法 84

6.1 引言 84

6.2 无线传感器网络的节点模型 84

6.3 分簇算法模型 85

6.4 分簇算法的参数优化 86

6.4.1 优化单跳距离 86

6.4.2 优化分簇角 89

6.4.3 簇头连续工作次数优化 91

6.5 分簇算法的实现 95

6.6 分簇算法性能的仿真与分析 97

6.7 本章小结 99

参考文献 100

第3篇 无线传感器网络数据管理

第7章 无线传感器网络节点数据管理 102

7.1 节点数据管理的基本概念 102

7.2 节点数据管理特点 104

7.3 能量高效的节点数据管理 105

7.3.1 节点数据管理与拓扑管理 106

7.3.2 节点数据管理与节点感知数据 106

7.3.3 节点数据管理与节点调度控制 108

7.3.4 节点数据管理与能耗关系 109

7.4 节点数据管理技术的重要研究内容 109

7.5 研究现状及主要问题 111

7.5.1 研究现状 112

7.5.2 存在的主要问题 115

参考文献 116

第8章 基于感知数据综合支持度的节点分类算法 121

8.1 引言 121

8.2 节点分类的必要性 121

8.3 节点分类算法的设计 122

8.3.1 节点感知数据的综合支持度 123

8.3.2 休眠节点数目确定 124

8.3.3 休眠节点规则确定 126

8.4 冗余节点的选取与调度 128

8.4.1 冗余节点的选取 128

8.4.2 冗余节点的调度控制 131

8.5 节点分类算法的实现 132

8.6 节点分类算法的性能评估 134

8.6.1 节点分类情况的验证 135

8.6.2 节点分类对网络能耗和寿命的验证与分析 138

8.7 本章小结 141

参考文献 142

第9章 面向数据收集的节点数据预测算法 144

9.1 引言 144

9.2 节点数据预测模型的选取 145

9.2.1 GM（1，1）基本模型 145

9.2.2 GM（1，1）预测数据的检验 146

9.2.3 动态GM（1，1）模型 147

9.3 被预测节点的选取 148

9.4 被预测节点的调度控制 149

9.4.1 被预测节点的顺序调度 149

9.4.2 被预测节点的选择性调度 151

9.5 簇头数据的融合处理 152

9.6 仿真结果与性能分析 154

9.6.1 GM（1，1）预测算法的有效性评估 154

9.6.2 节点数据预测算法对网络寿命的验证与分析 158

9.7 本章小结 159

参考文献 159