一种基于混合进化算法的无线传感器网络节能路由方法技术

本发明专利技术公开了一种基于混合进化算法的无线传感器网络节能路由方法，属于无线通信领域，包括如下步骤：步骤1、飞机在监测区域以随机撒点的方式部署传感器节点；步骤2、使用扩散法对所有传感器节点进行分层，建立无线传感器网络的层结构；步骤3、得到分层信息后在每一层的层内进行分簇，建立无线传感器网络的簇结构；步骤4、在已经建立完成的无线传感器网络结构的基础上，对传感器监测到的数据进行节能路由传输，直至网络生命周期结束。本发明专利技术通过混合进化算法节约网络数据传输过程能量消耗，延长无线传感网的生命周期。长无线传感网的生命周期。长无线传感网的生命周期。

【技术实现步骤摘要】
一种基于混合进化算法的无线传感器网络节能路由方法


[0001]本专利技术属于无线通信领域，具体涉及一种基于混合进化算法的无线传感器网络节能路由方法。

技术介绍

[0002]无线传感器网络由一组干电池供电的传感器节点组成，一般部署在人工难以到达的任务场景，当单个传感器因为干电池电量耗尽时，该节点只能退出网络。当大量节点能量耗尽时，传感器网络将难以继续工作。因此传感器节点的续航问题是决定无线传感器网络生命周期长短的关键问题之一。在大多数的场景中，传感器节点通过飞机在空中随机播撒的方式部署，因此传感器的位置较为随机，且传感器节点落地后需要自组织成一个可用网络，信息在传感器节点之间如何通信由路由方法决定，因此，路由方法决定了无线传感器网络的性能优劣。
[0003]实际部署环境复杂，由于关键节点能量耗尽而引起的无线传感器网络过早结束其生命周期是一个棘手的问题，目前基于分簇的LEACH算法和基于链的PEGASIS方法，虽然在一定程度上可以延长网络的寿命，但是依然存在下述问题：
[0004](1)簇头轮转虽然在一定程度上平衡了负载，但是对于处于网络边缘的节点而言，由于其到基站的距离太远而导致通信成本极大增加。因此，这种简单的负载均衡方式对于距离基站较远的节点并不友好；
[0005](2)簇头选举的方式虽能保证公平，但是不能考虑通讯成本，有可能出现簇头节点集中出现在某个区域，这极大增加了网络中的能量消耗，进一步降低网络寿命；
[0006](3)由簇头选举不佳而导致的通讯成本过大或者通讯链路过长，也使得网络中存在多余的能量消耗，并使得网络提前结束其生命周期。

技术实现思路

[0007]为了解决簇头轮转对于偏远节点传输能耗过高、链路传输过程中能耗不均衡的问题，本专利技术提出了一种基于混合进化算法的无线传感器网络节能路由方法，通过混合进化算法节约网络数据传输过程能量消耗，延长无线传感网的生命周期。
[0008]本专利技术的技术方案如下：
[0009]一种基于混合进化算法的无线传感器网络节能路由方法，包括如下步骤：
[0010]步骤1、飞机在监测区域以随机撒点的方式部署传感器节点；
[0011]步骤2、使用扩散法对所有传感器节点进行分层，建立无线传感器网络的层结构；
[0012]步骤3、得到分层信息后在每一层的层内进行分簇，建立无线传感器网络的簇结构；
[0013]步骤4、在已经建立完成的无线传感器网络结构的基础上，对传感器监测到的数据进行节能路由传输，直至网络生命周期结束。
[0014]进一步地，步骤1中，记监测区域内的基站位置为s0，采用随机撒点方式部署后的
传感器节点为s
i
，i∈1,2,3
…
,n，其中，n表示传感器节点的总数量；在少量传感器节点上设置定位设备，然后采用定位算法根据少量有定位设备的节点获取到的位置去推断其他没有定位设备的传感器节点的位置，进而获取每个传感器节点的具体位置信息。
[0015]进一步地，步骤2中，分层包括预分层及微调两个阶段；具体过程为：
[0016]步骤2.1、使用扩散法按照每个传感器节点的最大通讯半径确定第一层，并分配层号，之后以第一层为基础继续扩散确定第二层，以此类推，直到所有的传感器节点都有自己所属的层号，完成预分层；
[0017]步骤2.2、每个传感器节点根据自己与上层节点和下层节点中的距离最近的三个节点进行层号的微调；微调的过程为：若最近的三个节点中，有两个节点的层号大于当前节点，则当前节点层号加1；若有两个节点小于当前节点层号，则当前节点层号减1；否则不做变化。
[0018]进一步地，步骤3中，分簇包括预分簇与全局重新分簇两个阶段，具体过程为：
[0019]步骤3.1、建立相邻传感器节点的集合，并通过满足链路趋近直线的方式进行预分簇；
[0020]步骤3.2、使用混合进化算法在预分簇的结果上进行全局重新分簇，得到最终的簇结构。
[0021]进一步地，步骤3.1的具体过程为：
[0022]步骤3.1.1、设每一层传感器节点的集合为s
l
，l∈1,2,
…
,L，其中L表示总层数；每个传感器节点维护自己的层号s
i
.l；除第一层外，每层传感器节点保存上一层传感器节点编号的集合s
i
.n
l
‑1＝[s
p1
,s
p2
,
…
]，其中s
p1
,s
p2
,
…
∈s
l
‑1；除最后一层外，每一层传感器节点还需保存下一层传感器节点编号的集合s
i
.n
l+1
＝[s
q1
,s
q2
,
…
]，其中s
q1
,s
q2
,
…
∈s
l+1
；
[0023]步骤3.1.2、所有传感器节点广播自己的层号，每个传感器节点只接收与自身所在层号一致的数据包并与之通信确认链接；从而使每个传感器节点s
i
得到其同层的相邻节点的集合s
i
.adj；
[0024]步骤3.1.3、以基站为起点，随机选取最外层三个距离最近的点为终点做三条直线，各层靠近此三条直线的传感器节点作为簇头，其余各节点根据传感器s
i
邻接节点的集合s
i
.adj选择是否加入该簇；按逆时针继续寻找另外三个临近的节点，做直线，排除已经成为簇头的节点以及已经加入其他簇的节点，其余各层节点中最靠近此三条的直线的节点当选簇头，未加入任何簇的传感器节点根据相邻节点集合选择是否加入簇；若没有这样的传感器节点，则跳过簇头的分配，继续在最外层寻找相邻的三个点，直到所有的传感器节点已成为簇头或者已加入某个簇；若此时最外层节点已被遍历，且仍存在节点不是簇头或者未加入任何簇，则继续在上一层中选择三个节点做直线。
[0025]进一步地，步骤3.2的具体过程为：
[0026]基于当前预分簇方案，簇内成员节点保存簇头节点编号，除第一层外，每层的簇头节点维护一个可连接的上一层簇头节点的集合除最后一层外，每层簇头节点还需维护一个可连接的下一层簇头节点的集合
[0027]采用混合进化算法进行全局重新分簇，进一步优化簇结构；该算法以传感器节点
的位置作为个体，位置其中，n表示传感器的总数量，以及表示第i个传感器节点的三维坐标；混合进化算法优化的目标函数为：
[0028][0029]其中，dist(s
i
,s
j
)表示传感器节点s
i
与传感器节点s
j
之间的距离，len(
·
)表示集合中的传感器节点数量，α、β、γ、η、均表示平衡因子；j表示第j个传感器节点本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于混合进化算法的无线传感器网络节能路由方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、飞机在监测区域以随机撒点的方式部署传感器节点；步骤2、使用扩散法对所有传感器节点进行分层，建立无线传感器网络的层结构；步骤3、得到分层信息后在每一层的层内进行分簇，建立无线传感器网络的簇结构；步骤4、在已经建立完成的无线传感器网络结构的基础上，对传感器监测到的数据进行节能路由传输，直至网络生命周期结束。2.根据权利要求1所述基于混合进化算法的无线传感器网络节能路由方法，其特征在于，所述步骤1中，记监测区域内的基站位置为s0，采用随机撒点方式部署后的传感器节点为s
i
，i∈1,2,3
…
,n，其中，n表示传感器节点的总数量；在少量传感器节点上设置定位设备，然后采用定位算法根据少量有定位设备的节点获取到的位置去推断其他没有定位设备的传感器节点的位置，进而获取每个传感器节点的具体位置信息。3.根据权利要求1所述基于混合进化算法的无线传感器网络节能路由方法，其特征在于，所述步骤2中，分层包括预分层及微调两个阶段；具体过程为：步骤2.1、使用扩散法按照每个传感器节点的最大通讯半径确定第一层，并分配层号，之后以第一层为基础继续扩散确定第二层，以此类推，直到所有的传感器节点都有自己所属的层号，完成预分层；步骤2.2、每个传感器节点根据自己与上层节点和下层节点中的距离最近的三个节点进行层号的微调；微调的过程为：若最近的三个节点中，有两个节点的层号大于当前节点，则当前节点层号加1；若有两个节点小于当前节点层号，则当前节点层号减1；否则不做变化。4.根据权利要求1所述基于混合进化算法的无线传感器网络节能路由方法，其特征在于，所述步骤3中，分簇包括预分簇与全局重新分簇两个阶段，具体过程为：步骤3.1、建立相邻传感器节点的集合，并通过满足链路趋近直线的方式进行预分簇；步骤3.2、使用混合进化算法在预分簇的结果上进行全局重新分簇，得到最终的簇结构。5.根据权利要求4所述基于混合进化算法的无线传感器网络节能路由方法，其特征在于，所述步骤3.1的具体过程为：步骤3.1.1、设每一层传感器节点的集合为s
l
，l∈1,2,
…
,L，其中L表示总层数；每个传感器节点维护自己的层号s
i
.l；除第一层外，每层传感器节点保存上一层传感器节点编号的集合s
i
.n
l
‑1＝[s
p1
,s
p2
,
…
]，其中s
p1
,s
p2
,
…
∈s
l
‑1；除最后一层外，每一层传感器节点还需保存下一层传感器节点编号的集合s
i
.n
l+1
＝[s
q1
,s
q2
,
…
]，其中s
q1
,s
q2
,
…
∈s
l+1
；步骤3.1.2...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘正祥，贾寒冬，朱淑娟，陈建铭，吴祖扬，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：