一种基于天牛须搜索的无线传感网络分簇路由方法技术

本发明专利技术涉及一种基于天牛须搜索的无线传感网络分簇路由方法，其包括：建立无线传感网络拓扑；根据传感器节点位置、传感器节点剩余能量和传感器节点ID选举出候选簇首节点；通过天牛须搜索算法对适应度函数进行迭代，寻找适应度函数值最小的候选簇首节点作为最佳簇首节点；选择的最佳簇首节点广播当选最佳簇首节点的信息，并等待其他普通节点的加入；根据传感器节点剩余能量和传输能耗选择最佳簇首节点至基站节点间的中继节点，最佳簇首节点通过中继节点将所融合后的数据发送至基站节点，通信结束。本发明专利技术充分考虑到了传感器节点的剩余能量信息和位置信息，通过天牛须搜索算法选择合适簇首节点，能有效均衡网络能量消耗，延长网络生命周期。

A Clustering Routing Method for Wireless Sensor Networks Based on Longhorn Whisker Search

The invention relates to a clustering routing method for wireless sensor networks based on longicorn whisker search, which includes: establishing a wireless sensor network topology; selecting candidate cluster head nodes according to the location of sensor nodes, residual energy of sensor nodes and ID of sensor nodes; iterating the fitness function through longicorn whisker search algorithm to find candidate cluster head nodes with minimum fitness function value. As the best cluster head node, the selected best cluster head node broadcasts the information of the selected best cluster head node and waits for the joining of other ordinary nodes. According to the residual energy of sensor nodes and transmission energy consumption, the best cluster head node chooses the best relay node between the cluster head node and the base station node, and the best cluster head node sends the fused data to the base station node through the relay node, and the communication ends. The method fully takes into account the residual energy information and location information of sensor nodes, and chooses appropriate cluster head nodes by longicorn whisker search algorithm, which can effectively balance network energy consumption and prolong network life cycle.

【技术实现步骤摘要】
一种基于天牛须搜索的无线传感网络分簇路由方法
本专利技术涉及无线传感器网络通信技术，尤其涉及一种基于天牛须搜索的无线传感网络分簇路由方法。
技术介绍
无线传感网络(WirelessSensorNetworks，WSNs)是由可以感知外部世界的大量小尺寸低成本的传感器组成的一种分布式自组织无线网络，由于WSN的自组织、低功耗等优点，WSN广泛应用于军事、智能电网、智能交通、环境监控、医疗卫生等多个领域，但是传感器节点的能量限制是WSN的缺点之一，WSN中传感器一般安装在恶劣、人类不适合居住的环境中，例如：高空、沙漠、森林等，在这种环境中，更换传感器电池的难度很大，成本很高。因此，灵活高效地使用传感器节点有限的能量已经成为WSN路由协议设计必须考虑的问题。无线传感网路由协议主要分为平面路由和层次路由。平面路由中，所有传感器节点都具有相同功能和等级，传感器节点之间协同工作共同完成信息感知与采集、分析处理和通信转发，平面路由简单，健壮性好，但是建立、维护路由的开销很大，可扩展性差，数据传输跳数多，因此仅适合小规模网络。层次路由是基于分簇技术将无线传感网络分成若干簇集，每个簇集都是由一个随机选取的簇首节点和相应成员传感器节点组成。在每个簇集内的成员传感器节点将感知数据发送至簇首节点，簇首节点负责接收簇内所有传感器节点发送的数据并进行数据融合，然后转发给基站节点。与一般平面路由相比，层次路由具有可扩展性好、节能、路由结构简单的特点，适合大规模无线传感网络。但是，分簇路由对簇首节点的选取要求较高，簇首节点需要额外承担数据融合和路由转发的功能，会导致簇首节点死亡过快，因此设计高效的簇首节点选取算法来均衡簇首节点能量消耗十分重要。针对传感器节点能耗不均匀的问题，现有的无线传感路由协议都提出了解决方案，其中比较典型的是LEACH、PEGASIS、EAMMH。具体来说：低功耗自适应集簇分层型协议(LEACH)是经典的分层能量自适应路由协议，此协议打破之前成簇算法中固定簇首节点的思想，通过随机簇首节点选举和数据融合技术提高了整个网络的生存时间，比平面路由协议有更好的效果，因此是经典的分簇路由协议。然而，这种分簇路由协议也存在一定的缺陷：LEACH协议簇首节点的选举是随机的，容易导致簇首节点分布不均，剩余能量较小的传感器节点仍会成为簇首节点，簇首节点和基站节点之间采用单跳通信，导致远离基站节点的簇首节点的能耗消耗过快；PEGASIS(Power-EfficientGatheringinSensorInformationSystems)协议采用链式结构进行数据融合传输，减少了LEACH协议在簇重构过程中所产生的开销，但是该协议的单链结构增加了传输时延，并且过度依赖中间节点；能量感知多跳多路径分层路由协议(EAMMH)是对LEACH协议的改进。EAMMH协议将传感器节点组织成群集并形成多跳群集网络，建立从每个传感器节点到簇首节点的多条路径，并提供能量感知启发式功能以选择最佳路径，有效地减少传感器节点能耗，但是簇首节点的选择并没有考虑传感器节点剩余能量和位置因素。
技术实现思路
为了解决上述现有技术存在的问题，本专利技术旨在提供一种基于天牛须搜索的无线传感网络分簇路由方法，以均衡网络的能量消耗，延长网络生命周期。本专利技术所述的一种基于天牛须搜索的无线传感网络分簇路由方法，其包括以下步骤：步骤S1，在指定区域部署N个传感器节点和1个基站节点后，进行网络预设置，以建立无线传感器网络拓扑；步骤S2，基于每个传感器节点的传感器节点位置坐标以及传感器节点剩余能量，并根据候选簇首节点权值函数，计算获得每个传感器节点的候选簇首节点权值，然后，将所有传感器节点按其候选簇首节点权值由高到低进行排列，并在所有传感器节点中从候选簇首节点权值最高的传感器节点起选取依次排列的P％个传感器节点作为候选簇首节点；步骤S3，获取用于选择最佳簇首节点的适应度函数，并通过天牛须搜索算法对所述适应度函数进行迭代，以从所述步骤S2中选取出的所有候选簇首节点中选取适应度函数值最小的候选簇首节点作为最佳簇首节点，其余未当选最佳簇首节点的候选簇首节点则成为普通节点；步骤S4，所述最佳簇首节点在其通信范围内广播当选为最佳簇首节点消息，并等待其他普通节点的加入；以及步骤S5，所述最佳簇首节点接收其所在簇内的普通节点所发送的环境感知信息数据，并进行数据融合，然后，基于中继节点选择函数，在其所在簇内的普通节点中选择中继节点，最后，所述最佳簇首节点将融合后的环境感知信息数据通过该中继节点多跳传输至基站节点。进一步地，在所述步骤S1中，所述N个传感器节点和1个基站节点首先广播发送包含传感器节点ID和传感器节点位置坐标的数据包；各个传感器节点分别接收其邻居节点发送来的数据包以记录其邻居节点的信息；当邻居节点的信息记录完成后，每个传感器节点向基站节点发送初始化报文，所述初始化报文包含：每个传感器节点自身的传感器节点ID、传感器节点位置坐标以及传感器节点剩余能量；所述基站节点收到所有初始化报文后建立无线传感器网络拓扑。进一步地，在所述步骤S2中，传感器节点ID为i的传感器节点的候选簇首节点权值函数f(i)为：其中，E(ni)为传感器节点ID为i的传感器节点的剩余能量，E0为传感器节点初始能量，MNi为传感器节点ID为i的传感器节点的邻居节点的数量，i的取值范围为1至N，MN为传感器节点理想标准通信范围内邻居节点的标准数量，R为传感器节点标准通信范围的半径，d(ni,Mj)为传感器节点ID为i的传感器节点与标准通信范围内的传感器节点ID为j的邻居节点CMj之间的距离，j的取值范围为1至MN，dmax为N个传感器节点距离基站节点的最大距离，dmin为N个传感器节点距离基站节点的最小距离，din为传感器节点ID为i的传感器节点距离基站节点的距离，w1、w2、w3、w4均为加权系数，其中，w1为传感器节点剩余能量因素的权值，w2为传感器节点的邻居节点数量因素的权值，w3为传感器节点与其邻居节点间距因素的权值，w4为基站节点与传感器节点间距因素的权值，且w1、w2、w3、w4满足：w1+w2+w3+w4＝1,w1,w2，w3，w4∈(0，1)。进一步地，在所述步骤S2中，P＜80。进一步地，在所述步骤S3中，适应度函数F为：F＝β*f1+(1+β)*f2其中，f1为传感器节点位置因子，f2为传感器节点剩余能量因子，β为传感器节点剩余能量因素在适应度函数计算过程中的权重因子；|Ck|为第k个候选簇首节点标准通信范围内传感器节点的数量，d(ni，CHk)是传感器节点ID为i的传感器节点到第k个候选簇首节点CHk的距离，kopt为候选簇首节点的数量；i的取值范围是1至N；E(ni)为传感器节点ID为i的传感器节点的剩余能量，E(CHk)为第k个候选簇首节点CHk的剩余能量。进一步地，在所述步骤S4中，其他普通节点根据接收到的当选最佳簇首节点消息的信号强度，优先选择加入信号强度最强的最佳簇首节点所在的簇。进一步地，在所述步骤S5中，传感器节点ID为j的普通节点的中继节点选择函数S(j)为：其中，E(nj)为传感器节点ID为j的普通节点的剩余能量，E0为传感器节点初始能量，d(i，j)为传感器节点ID为i的最佳簇首本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于天牛须搜索的无线传感网络分簇路由方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤S1，在指定区域部署N个传感器节点和1个基站节点后，进行网络预设置，以建立无线传感器网络拓扑；步骤S2，基于每个传感器节点的传感器节点位置坐标以及传感器节点剩余能量，并根据候选簇首节点权值函数，计算获得每个传感器节点的候选簇首节点权值，然后，将所有传感器节点按其候选簇首节点权值由高到低进行排列，并在所有传感器节点中从候选簇首节点权值最高的传感器节点起选取依次排列的P％个传感器节点作为候选簇首节点；步骤S3，获取用于选择最佳簇首节点的适应度函数，并通过天牛须搜索算法对所述适应度函数进行迭代，以从所述步骤S2中选取出的所有候选簇首节点中选取适应度函数值最小的候选簇首节点作为最佳簇首节点，其余未当选最佳簇首节点的候选簇首节点则成为普通节点；步骤S4，所述最佳簇首节点在其通信范围内广播当选为最佳簇首节点消息，并等待其他普通节点的加入；以及步骤S5，所述最佳簇首节点接收其所在簇内的普通节点所发送的环境感知信息数据，并进行数据融合，然后，基于中继节点选择函数，在其所在簇内的普通节点中选择中继节点，最后，所述最佳簇首节点将融合后的环境感知信息数据通过该中继节点多跳传输至基站节点。...

【技术特征摘要】
1.一种基于天牛须搜索的无线传感网络分簇路由方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤S1，在指定区域部署N个传感器节点和1个基站节点后，进行网络预设置，以建立无线传感器网络拓扑；步骤S2，基于每个传感器节点的传感器节点位置坐标以及传感器节点剩余能量，并根据候选簇首节点权值函数，计算获得每个传感器节点的候选簇首节点权值，然后，将所有传感器节点按其候选簇首节点权值由高到低进行排列，并在所有传感器节点中从候选簇首节点权值最高的传感器节点起选取依次排列的P％个传感器节点作为候选簇首节点；步骤S3，获取用于选择最佳簇首节点的适应度函数，并通过天牛须搜索算法对所述适应度函数进行迭代，以从所述步骤S2中选取出的所有候选簇首节点中选取适应度函数值最小的候选簇首节点作为最佳簇首节点，其余未当选最佳簇首节点的候选簇首节点则成为普通节点；步骤S4，所述最佳簇首节点在其通信范围内广播当选为最佳簇首节点消息，并等待其他普通节点的加入；以及步骤S5，所述最佳簇首节点接收其所在簇内的普通节点所发送的环境感知信息数据，并进行数据融合，然后，基于中继节点选择函数，在其所在簇内的普通节点中选择中继节点，最后，所述最佳簇首节点将融合后的环境感知信息数据通过该中继节点多跳传输至基站节点。2.根据权利要求1所述的基于天牛须搜索的无线传感网络分簇路由方法，其特征在于，在所述步骤S1中，所述N个传感器节点和1个基站节点首先广播发送包含传感器节点ID和传感器节点位置坐标的数据包；各个传感器节点分别接收其邻居节点发送来的数据包以记录其邻居节点的信息；当邻居节点的信息记录完成后，每个传感器节点向基站节点发送初始化报文，所述初始化报文包含：每个传感器节点自身的传感器节点ID、传感器节点位置坐标以及传感器节点剩余能量；所述基站节点收到所有初始化报文后建立无线传感器网络拓扑。3.根据权利要求1所述的基于天牛须搜索的无线传感网络分簇路由方法，其特征在于，在所述步骤S2中，传感器节点ID为i的传感器节点的候选簇首节点权值函数f(i)为：其中，E(ni)为传感器节点ID为i的传感器节点的剩余能量，E0为传感器节点初始能量，MNi为传感器节点ID为i的传感器节点的邻居节点的数量，i的取值范围为1至N，MN为传感器节点理想标准通信范围内邻居节点的标准数量，R为传感器节点标准通信范围的半径，d(ni，CMj)为传感器节点ID为i的传感器节点与标准通信范围内的传感器节点ID为j的邻居节点CMj之间的距离，j的取值范围为1至MN，dmax为N个传感器节点距离基站节点的最大距离，d...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐佑宇，刘洪，谭冲，郑敏，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31