智能家居無線傳感器網絡路由序言

物聯(lián)網產業(yè)是我國戰(zhàn)略性新興產業(yè)的重要組成部分，已深入經濟社會各個行業(yè)領域。發(fā)展物聯(lián)網是促進傳統(tǒng)產業(yè)轉型升級的重要手段，在智能家居系統(tǒng)中應用物聯(lián)網，將有力推進產業(yè)化和信息化的深度融合，從而促進我國經濟和信息技術的向前發(fā)展。無線傳感器網絡無需布線，易于配置和擴展，低成本和低功耗的特點，使其逐漸成為未來智能家居物聯(lián)網的發(fā)展主流和研究熱點。能量高效和可靠傳輸?shù)穆酚伤惴ㄔ谥悄芗揖訜o線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks for Smart Home，簡稱WSNSH）通信中起著至關重要的作用，研究智能家居無線傳感器網絡路由技術無論是從無線傳感器網絡理論研究的角度，還是從智能家居物聯(lián)網的實踐角度，都有重要理論意義和廣泛應用前景。

目前針對智能家居無線傳感器網絡路由的研究還沒有系統(tǒng)專門的介紹，本書作者博士和博士后階段對智能家居無線傳感器網絡路由算法進行了多年的研究積累。為促進學術和技術交流，作者撰寫本書以求共同進步，為智能家居物聯(lián)網技術作一點貢獻，為智能家居無線傳感器網絡路由設計提供一種新的思路和途徑。到目前為止，書中所涉及的相關路由算法已在國際期刊、會議上公開發(fā)表。書中重點研究了智能家居無線傳感器網絡的路由算法，采取了網絡仿真的方法研究所有關鍵算法的有效性和算法運行性能，取得了一些具有一定創(chuàng)新性的研究成果。本書共5部分，按提出問題，分析問題，解決問題的思路，循序漸進地闡述了作者的研究結果：

1、對工程實踐中廣泛使用的智能家居無線傳感器網絡協(xié)議ZigBee進行了詳細的仿真研究，并提出了在工程實際應用中對ZigBee的層次路由和AODVjr路由進行改進的方案。

2、在第1部分的研究結果中，作者發(fā)現(xiàn)ZigBee的AODVjr路由算法主要采取洪泛的方式查找路由，洪泛查找路由帶來的直接問題是網絡節(jié)點能量消耗過大，易產生MAC層廣播風暴，從而引起實際應用中網絡數(shù)據(jù)包投遞率過低。因此，作者從如何限定和調整洪泛路由區(qū)域的角度研究了AODVjr的一些改進方法以達到提高智能家居無線傳感器網絡路由的數(shù)據(jù)包投遞率的目的。

3、在第2部分的研究結果中，作者發(fā)現(xiàn)使用洪泛或區(qū)域性洪泛技術查找路由時節(jié)點能耗和通信開銷仍然較高，還是會引起MAC層負擔過重的問題。因此，作者研究了如何在智能家居無線傳感器網絡路由中引入啟發(fā)式的局部單播路由決策的方法。

4、在第3部分的研究結果中，作者發(fā)現(xiàn)雖然在智能家居無線傳感器網絡路由中引入啟發(fā)式的局部單播路由決策方法達到了網絡節(jié)點能耗有效降低，數(shù)據(jù)包投遞率顯著提高的目的，但是出現(xiàn)了網絡能耗不均衡的現(xiàn)象。因此，作者研究了如何將復雜網絡理論引入到啟發(fā)式的局部單播路由決策中，將網絡流量以更為均衡的方式分配到網絡中的多條路徑上，延長了智能家居無線傳感器網絡生命期。

5、在研究智能家居無線傳感器網絡路由通信的基礎上，對智能家居無線傳感器網絡應用展開了探索性研究。主要研究了有關智能家居無線傳感器網絡的分簇算法和智能家居能耗控制算法。

本書的出版得到了國家自然科學基金（項目號：61105070，61104215）、湖北省高等學校優(yōu)秀中青年科技創(chuàng)新團隊計劃項目（項目號：T201302）、國家國際科技合作專項項目（項目號：2013DFG72850）、國家重點基礎研究發(fā)展計劃項目（973項目，項目號：2012CB724400）的資助和電子工業(yè)出版社的大力支持，在此致以由衷的謝意。

書的撰寫過程中得到了我的博士導師，武漢科技大學方康玲教授和我的博士后合作導師華中科技大學關治洪教授的指導和支持。兩位教授淵博的學識、謙和的為人，寬廣的胸懷，嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，開拓進取的創(chuàng)新意識都深深地影響著我，是我今后工作中學習的楷模，在此我謹向兩位教授表示深深的敬意和衷心的感謝。

書的撰寫期間，作者曾多次前往韓國Hanyang大學無線傳感器網絡研究中心學習和交流，受到了該中心負責人Hong Seung Ho教授的悉心指導，他為作者提供了良好的科研環(huán)境以及大量參與工程實踐鍛煉的機會。Hong教授淵博的學識，嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度和忘我的工作精神深深地激勵著作者。在該中心的學習使作者受益匪淺，在此對Hong Seung Ho教授表達最誠摯的謝意。

書的出版還得到了以下領導、專家的關心，指導和支持，在與這些教授，專家的長期學術交流、合作過程中收益很大，在此深表感謝，他（她）們是武漢科技大學柴利教授、吳懷宇教授、陳和平教授、王斌教授、劉振興教授、吳謹教授、顧進廣教授、劉斌教授、張濤教授和楊永立教授，澳大利亞Queensland University of Technology的田玉楚教授，國家電網信息通信有限公司博士后張翼英，北京郵電大學崔寶江教授，德國法蘭克福大學的博士后潘林，中國電力科學研究院計量研究所所長章欣、副所長徐英輝和高級工程師趙兵，韓國LSI公司Kwon Bong Hyun常務，韓國Nestfield公司Kim Dae Joo常務，武漢研能科技有限公司嚴宇峰經理，武漢麥希力德科技有限公司魯彥玉經理。

作者的工作還得到以下領導，教授和同事的熱情幫助與支持，在此表示感謝，他（她）們是：武漢科技大學馬婭婕博士、黃衛(wèi)華博士、章政博士、蔣錚博士、劉曉玉博士、黃浩軍博士、趙敏老師、陳彬老師、劉毅敏老師、周紅軍老師、方紅萍老師、楊玲賢老師、徐望明老師、梁開老師等，華中科技大學姜曉偉博士、曲峰林博士、池明博士、陳超洋博士和王寶賢博士，韓國Hanyang大學的丁月民博士、段權珍博士和余萌萌博士，

感謝在該領域早期探索并有諸多貢獻的先行者們，沒有他們的貢獻這本書將難以為繼并順利完成。由于篇幅限制，還有不少同志為本研究成果與本書做了不少工作，在此不能一一列出，謹向所有同志致以衷心的感謝！

特別感謝我的父母，他們在我多年的求學生涯中給與我充分的理解、鼓勵和支持，他們的默默奉獻使我有更多的時間和精力投入科研之中，感謝他們?yōu)槲宜龅囊磺?；感謝我的丈夫馮文利，他的理解每每使我倍感溫暖，還有我的女兒馮悅辰的開朗的笑聲使我忘記疲勞。謹以此書獻給他們！

由于作者水平有限，書中錯誤和缺點在所難免，歡迎讀者批評指正。

作者

《智能家居無線傳感器網絡路由》可供從事無線傳感器網絡和智能家居網絡的各類工程技術人員參考，亦可作為高等院校相關專業(yè)教師和研究生的教學參考書。本書系統(tǒng)介紹了智能家居無線傳感器網絡路由的理論、方法和實際應用問題。全書分五個部分共十章，主要包括智能家居無線傳感器網絡協(xié)議ZigBee協(xié)議的路由研究；智能家居無線傳感器網絡的AODVjr路由的改進研究；智能家居無線傳感器網絡局部單播路由研究；基于復雜網絡理論的智能家居無線傳感器網絡路由研究；智能家居無線傳感器網絡的分簇算法和智能家居能耗控制算法研究。本書所提出的理論，方法和技術實現(xiàn)要點是作者多年從事智能家居無線傳感器網絡路由的研究成果與實際經驗的。

第一章緒論9

1.1引言9

1.2國內外研究現(xiàn)狀10

1.2.1無線傳感器網絡路由設計的研究現(xiàn)狀10

1.2.2智能家居的無線傳感器網絡路由的研究現(xiàn)狀13

1.3全書結構安排13

第二章智能家居無線傳感器網絡15

2.1無線傳感器網絡概述15

2.1.1無線傳感器網絡及其應用15

2.1.2無線傳感器網絡的特點17

2.1.3傳感器網絡的體系結構17

2.2智能家居的應用領域18

2.3智能家居無線傳感器網絡結構19

2.4智能家居常用的無線網絡協(xié)議20

2.4.1IEEE802.15.4/ZigBee20

2.4.2其它標準20

2.5WSNSH的鏈路穩(wěn)定性分析21

2.5.1室內無線傳播模型21

2.5.2鏈路穩(wěn)定性分析22

2.6WSNSH中的定位服務24

2.6.1WSN中的定位算法24

2.6.2WSNSH中的定位服務25

2.7智能家居無線傳感器網絡路由的需求25

2.8本章小結26

第三章ZigBee路由協(xié)議的分析和路由策略的改進27

3.1IEEE802.15.4協(xié)議27

3.1.1概述27

3.1.2基于IEEE802.15.4的傳感器網絡性能特點28

3.2ZigBee路由算法28

3.2.1層次路由29

3.2.2AODVjr30

3.2.3路由實現(xiàn)31

3.3ZigBee路由仿真分析32

3.3.1仿真性能衡量指標32

3.3.2仿真參數(shù)及場景設計33

3.3.3仿真結果和性能分析36

3.4ZigBee路由策略改進42

3.4.1層次路由算法的改進42

3.4.2ZigBee路由策略改進43

3.4.3實驗結果和分析44

3.5本章小結45

第四章基于位置信息的動態(tài)自適應路由算法47

4.1基于位置信息的路由研究綜述47

4.1.1利用位置信息限定路由查找區(qū)域48

4.1.2利用位置信息確定路由下一跳50

4.1.3利用位置信息實現(xiàn)分層路由51

4.2研究背景52

4.3WSNSH—LBAR中路由請求域的定義53

4.3.1路由發(fā)現(xiàn)53

4.3.2請求域的定義54

4.3.3仿真及性能分析58

4.4WSNSH—LBAR中路由請求域的動態(tài)調整61

4.4.1Rzone的大小對數(shù)據(jù)包投遞率的影響61

4.4.2基于貝葉斯估計的Rzone的動態(tài)調整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本章小結71

第五章基于動態(tài)混合查找的自適應路由算法72

5.1網絡模型72

5.2自適應路由算法73

5.2.1折半查找和指數(shù)查找73

5.2.2請求域的半徑搜索策略73

5.3仿真及性能分析75

5.4本章小結77

第六章基于位置信息的啟發(fā)式路由算法78

6.1研究背景78

6.2啟發(fā)式算法概述79

6.2.1智能仿生類算法80

6.2.2啟發(fā)式搜索算法80

6.3基于位置信息的啟發(fā)式路由算法82

6.3.1A*算法在路由中的應用82

6.3.2基于位置信息的啟發(fā)式路由算法84

6.3.3鏈路狀態(tài)分類85

6.4仿真及性能分析86

6.5本章小結90

第七章基于局部網絡介數(shù)的能量均衡路由研究91

7.1研究背景92

7.1.1復雜網絡理論92

7.1.2無線傳感器網絡和復雜網絡95

7.2局部貪婪轉發(fā)97

7.3局部網絡介數(shù)97

7.3.1網絡介數(shù)98

7.3.2局部網絡介數(shù)98

7.4基于局部網絡介數(shù)的路由算法99

7.4.1算法描述99

7.4.2一個簡單的路由例子100

7.5仿真及性能分析102

7.5.1網絡模型102

7.5.2網絡場景102

7.5.3仿真結果及性能分析103

7.5本章小結107

第八章具有基站的智能家居無線傳感器網絡分簇算法108

8.1分簇算法研究綜述108

8.1.1鏈路分簇算法109

8.1.2加權分簇算法109

8.1.3層次分簇算法110

8.1.4網格分簇算法112

8.2研究背景113

8.3具有基站的智能家居無線傳感器網絡分簇算法114

8.3.1K—means114

8.3.2簇數(shù)目的范圍115

8.3.3簇頭選擇算法116

8.3.4簇生成算法118

8.3.5仿真效果119

8.4本章小結120

第九章基于用戶期望價格的需求響應模型研究121

9.1系統(tǒng)模型和問題定義121

9.1.1需求響應算法的輸入122

9.1.2需求響應算法的輸出123

9.2基于用戶期望價格的需求響應算法設計123

9.2.1負荷轉移124

9.2.2能量存儲系統(tǒng)與需求響應算法的集成127

9.2.3需求響應算法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本章小結137

第十章結論和展望138

10.1工作總結138

10.2進一步工作展望139

參考文獻140

李曉卉，工學博士，現(xiàn)任武漢科技大學信息科學與工程學院副教授，碩士生導師。研究興趣為無線傳感器網絡技術，智能家居控制，復雜網絡理論，智能電網理論及應用等。

《無線傳感器網絡:路由協(xié)議與數(shù)據(jù)管理》是作者從事多年的無線傳感器網絡路由協(xié)議和數(shù)據(jù)管理相關科研工作實踐的結晶。路由協(xié)議側重于分簇路由技術的研究，重點是通過網絡分簇優(yōu)化及網絡分簇和簇問路由的有機結合，緩解或避免由于傳感器節(jié)點能耗不均所導致的網絡“熱點”問題和“能量空洞”現(xiàn)象，構建能量高效均衡的無線傳感器網絡分簇路由協(xié)議。數(shù)據(jù)管理著重從節(jié)點數(shù)據(jù)管理特點、網絡拓撲控制、節(jié)點分類管理和節(jié)點感知數(shù)據(jù)預測四個方面進行了比較系統(tǒng)的研究。《無線傳感器網絡:路由協(xié)議與數(shù)據(jù)管理》由重慶郵電大學蔣暢江組織撰寫和統(tǒng)稿，并由向敏撰寫。

第1篇 概述

第1章 無線傳感器網絡概述 2

1.1 無線傳感器網絡的基本概念 2

1.2 無線傳感器網絡的系統(tǒng)結構 2

1.3 無線傳感器網絡的體系結構 3

1.4 無線傳感器網絡的特點 4

1.5 無線傳感器網絡的關鍵技術 5

1.6 無線傳感器網絡的應用前景 6

1.7 本書章節(jié)安排 7

參考文獻 8

第2篇 無線傳感器網絡路由協(xié)議

第2章 無線傳感器網絡路由協(xié)議概述 12

2.1 無線傳感器網絡路由協(xié)議的設計要求 12

2.2 無線傳感器網絡路由協(xié)議分類方法 13

2.3 無線傳感器網絡平面路由協(xié)議 14

2.3.1 幾個典型的平面路由協(xié)議 14

2.3.2 平面路由協(xié)議和分簇路由協(xié)議比較 15

2.4 無線傳感器網絡分簇路由協(xié)議 16

2.4.1 分簇路由協(xié)議的網絡結構 16

2.4.2 分簇網絡中節(jié)點能耗分析 17

2.4.3 分簇路由協(xié)議的性能評價 18

2.4.4 分簇路由協(xié)議的核心問題 19

2.4.5 現(xiàn)有的重要分簇路由協(xié)議解析 20

2.4.6 幾個典型的分簇路由協(xié)議 22

2.4.7 存在問題及發(fā)展方向 30

2.5 本章小結 32

參考文獻 32

第3章 基于PSO的兩層分簇路由協(xié)議 38

3.1 引言 38

3.2 PSO算法簡介 39

3.2.1 算法原理 39

3.2.2 算法流程 40

3.3 相關模型及假定 40

3.3.1 網絡模型及假定 40

3.3.2 數(shù)據(jù)收集方式 41

3.3.3 無線通信能耗模型 41

3.3.4 數(shù)據(jù)融合模型 42

3.4 TL—EBC協(xié)議 42

3.4.1 簇的建立 43

3.4.2 穩(wěn)態(tài)階段 45

3.5 協(xié)議分析及仿真 45

3.5.1 協(xié)議分析 45

3.5.2 性能評價指標 47

3.5.3 協(xié)議仿真與分析 47

3.6 本章小結 54

參考文獻 54

第4章 基于PSO的非均勻分簇路由協(xié)議 55

4.1 引言 55

4.2 網絡非均勻分簇策略 56

4.3 相關模型及假定 57

4.4 EBUC協(xié)議 57

4.4.1 簇的建立 57

4.4.2 穩(wěn)態(tài)階段 60

4.5 協(xié)議分析及仿真 60

4.5.1 協(xié)議分析 60

4.5.2 性能評價指標 61

4.5.3 協(xié)議仿真與分析 62

4.6 本章小結 66

參考文獻 66

第5章 分布式非均勻分簇路由協(xié)議 67

5.1 引言 67

5.2 相關模型及假定 68

5.3 DEEUC協(xié)議 68

5.3.1 簇的形成 69

5.3.2 簇間多跳路由 71

5.4 協(xié)議分析及仿真 73

5.4.1 協(xié)議分析 73

5.4.2 性能評價指標 74

5.4.3 仿真方法及參數(shù) 75

5.4.4 仿真結果分析 76

5.5 本章小結 83

參考文獻 83

第6章 基于參數(shù)優(yōu)化的分簇算法 84

6.1 引言 84

6.2 無線傳感器網絡的節(jié)點模型 84

6.3 分簇算法模型 85

6.4 分簇算法的參數(shù)優(yōu)化 86

6.4.1 優(yōu)化單跳距離 86

6.4.2 優(yōu)化分簇角 89

6.4.3 簇頭連續(xù)工作次數(shù)優(yōu)化 91

6.5 分簇算法的實現(xiàn) 95

6.6 分簇算法性能的仿真與分析 97

6.7 本章小結 99

參考文獻 100

第3篇 無線傳感器網絡數(shù)據(jù)管理

第7章 無線傳感器網絡節(jié)點數(shù)據(jù)管理 102

7.1 節(jié)點數(shù)據(jù)管理的基本概念 102

7.2 節(jié)點數(shù)據(jù)管理特點 104

7.3 能量高效的節(jié)點數(shù)據(jù)管理 105

7.3.1 節(jié)點數(shù)據(jù)管理與拓撲管理 106

7.3.2 節(jié)點數(shù)據(jù)管理與節(jié)點感知數(shù)據(jù) 106

7.3.3 節(jié)點數(shù)據(jù)管理與節(jié)點調度控制 108

7.3.4 節(jié)點數(shù)據(jù)管理與能耗關系 109

7.4 節(jié)點數(shù)據(jù)管理技術的重要研究內容 109

7.5 研究現(xiàn)狀及主要問題 111

7.5.1 研究現(xiàn)狀 112

7.5.2 存在的主要問題 115

參考文獻 116

第8章 基于感知數(shù)據(jù)綜合支持度的節(jié)點分類算法 121

8.1 引言 121

8.2 節(jié)點分類的必要性 121

8.3 節(jié)點分類算法的設計 122

8.3.1 節(jié)點感知數(shù)據(jù)的綜合支持度 123

8.3.2 休眠節(jié)點數(shù)目確定 124

8.3.3 休眠節(jié)點規(guī)則確定 126

8.4 冗余節(jié)點的選取與調度 128

8.4.1 冗余節(jié)點的選取 128

8.4.2 冗余節(jié)點的調度控制 131

8.5 節(jié)點分類算法的實現(xiàn) 132

8.6 節(jié)點分類算法的性能評估 134

8.6.1 節(jié)點分類情況的驗證 135

8.6.2 節(jié)點分類對網絡能耗和壽命的驗證與分析 138

8.7 本章小結 141

參考文獻 142

第9章 面向數(shù)據(jù)收集的節(jié)點數(shù)據(jù)預測算法 144

9.1 引言 144

9.2 節(jié)點數(shù)據(jù)預測模型的選取 145

9.2.1 GM（1，1）基本模型 145

9.2.2 GM（1，1）預測數(shù)據(jù)的檢驗 146

9.2.3 動態(tài)GM（1，1）模型 147

9.3 被預測節(jié)點的選取 148

9.4 被預測節(jié)點的調度控制 149

9.4.1 被預測節(jié)點的順序調度 149

9.4.2 被預測節(jié)點的選擇性調度 151

9.5 簇頭數(shù)據(jù)的融合處理 152

9.6 仿真結果與性能分析 154

9.6.1 GM（1，1）預測算法的有效性評估 154

9.6.2 節(jié)點數(shù)據(jù)預測算法對網絡壽命的驗證與分析 158

9.7 本章小結 159

參考文獻 159