本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，具體涉及一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)的路由方法。

背景技術(shù)：

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的低成本低功耗的微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的、自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，存在能量均衡優(yōu)化問題，各個傳感器節(jié)點(diǎn)能量消耗不均衡，導(dǎo)致一部分傳感器節(jié)點(diǎn)會提前耗盡能量，喪失數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋亩绊懙秸w網(wǎng)絡(luò)的通信范圍以及網(wǎng)絡(luò)功能。

2、經(jīng)典的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由方法有平面型路由協(xié)議，位置感知路由協(xié)議、地理路由協(xié)議。這幾種方法無法有效的減少數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的次數(shù)，而層次型路由協(xié)議從過給整個網(wǎng)絡(luò)分層，選舉一些合適的傳感器節(jié)點(diǎn)作為簇頭節(jié)點(diǎn)來管理其余成員節(jié)點(diǎn)，并且與基站進(jìn)行通信。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為了解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在節(jié)點(diǎn)能量消耗不均衡的問題，以及現(xiàn)有路由方法存在數(shù)據(jù)傳輸效率差，網(wǎng)絡(luò)壽命短的問題。

2、基于分層法的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由方法，包括以下步驟：

3、s1首先是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量確定最佳分簇?cái)?shù)，計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間的相對距離和方差；

4、s2為防止孤立節(jié)點(diǎn)成為質(zhì)心節(jié)點(diǎn)形成孤立簇，根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)之間的方差建立質(zhì)心的候選集；

5、s3在候選集挑選首個質(zhì)心節(jié)點(diǎn)的過程中，選取與其他節(jié)點(diǎn)相對距離最大的節(jié)點(diǎn)作為質(zhì)心節(jié)點(diǎn)；

6、s4剩余質(zhì)心節(jié)點(diǎn)選舉中，挑選與已有質(zhì)心節(jié)點(diǎn)相對距離最大的節(jié)點(diǎn)作為新增的質(zhì)心節(jié)點(diǎn)，這是為了避免質(zhì)心節(jié)點(diǎn)過于集中導(dǎo)致出現(xiàn)分簇過密的問題；

7、s5在上一步形成的簇內(nèi)，由選出的質(zhì)心節(jié)點(diǎn)來運(yùn)行簇頭優(yōu)化算法，計(jì)算每一個節(jié)點(diǎn)的適應(yīng)度函數(shù)尋找每個簇空間中最優(yōu)的簇頭節(jié)點(diǎn)，整個流程如圖1所示；

8、s6在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，由簇成員節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，并傳輸給簇頭節(jié)點(diǎn)。簇頭節(jié)點(diǎn)通過數(shù)據(jù)整合后，將數(shù)據(jù)傳輸給基站。因此負(fù)責(zé)大量數(shù)據(jù)收發(fā)工作的簇頭節(jié)點(diǎn)往往能耗較快，且由于各個簇頭節(jié)點(diǎn)物理位置差異、距離基站距離等原因，會導(dǎo)致各個簇頭節(jié)點(diǎn)能耗不均。為了防止簇頭節(jié)點(diǎn)過早死亡，選用能量較高的簇頭節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息轉(zhuǎn)發(fā)。

9、上述的一種基于分層法的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由方法，所述步驟s1包含以下步驟：

10、s11首先根據(jù)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，確定分簇?cái)?shù)k，最優(yōu)分簇?cái)?shù)會隨著區(qū)域內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量變化而動態(tài)變化；

11、s12根據(jù)各個傳感器節(jié)點(diǎn)的二維位置坐標(biāo)，分別計(jì)算與剩余傳感器節(jié)點(diǎn)之間的相對距離dist(xi,xj)、方差σi，將上述數(shù)據(jù)發(fā)送給基站并存儲在基站和傳感器節(jié)點(diǎn)的存儲器中。

12、上述的一種基于分層法的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由方法，所述步驟s2包含以下步驟：

13、s21基站根據(jù)存儲器中各個節(jié)點(diǎn)的二維位置坐標(biāo)，計(jì)算傳感器節(jié)點(diǎn)的平均值坐標(biāo)x；根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)的平均值坐標(biāo)與二維位置坐標(biāo)計(jì)算傳感器節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)的方差σ；

14、s22各個傳感器節(jié)點(diǎn)將自身方差σi與總平均方差σ進(jìn)行對比，排除方差較大的孤立節(jié)點(diǎn)；建立質(zhì)心節(jié)點(diǎn)候選集sm，將方差較小的傳感器節(jié)點(diǎn)編號加入質(zhì)心節(jié)點(diǎn)候選集sm。

15、上述的一種基于分層法的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由方法，所述步驟s3包含以下步驟：

16、s31基站通過廣播向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送候選集節(jié)點(diǎn)信息；

17、s32傳感器節(jié)點(diǎn)接收廣播，處于候選集中的傳感器節(jié)點(diǎn)調(diào)取與候選集中其余節(jié)點(diǎn)的相對距離dist(xi,xj)；處于候選集sm中的節(jié)點(diǎn)xi計(jì)算自身與其余候選集節(jié)點(diǎn)的總距離di，比較所有的di，選取di最大的候選集節(jié)點(diǎn)成為第一個質(zhì)心節(jié)點(diǎn)o1。

18、上述的一種基于分層法的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由方法，所述步驟s4包含以下步驟：

19、s41選取完首個質(zhì)心節(jié)點(diǎn)o1后，由首個質(zhì)心節(jié)點(diǎn)發(fā)送廣播，選舉候選集內(nèi)與質(zhì)心節(jié)點(diǎn)距離最大的節(jié)點(diǎn)成為第二個質(zhì)心節(jié)點(diǎn)o2；

20、s42網(wǎng)絡(luò)中的非質(zhì)心節(jié)點(diǎn)根據(jù)距離最小原則，加入與兩個質(zhì)心節(jié)點(diǎn)距離較小的簇中，形成兩個簇；

21、s43在已形成的各個簇中，質(zhì)心節(jié)點(diǎn)ol根據(jù)距離自身最遠(yuǎn)的dist(ol,xi)，選舉出一個候選節(jié)點(diǎn)ol'；

22、s44各個候選節(jié)點(diǎn)組成一個新的候選集，比較各個候選集節(jié)點(diǎn)ol'與自身簇質(zhì)心節(jié)點(diǎn)ol的距離dist(ol,ol')，選舉距離最大的候選節(jié)點(diǎn)成為新的質(zhì)心節(jié)點(diǎn)；非質(zhì)心節(jié)點(diǎn)根據(jù)距離最小原則重新分簇；

23、s45重復(fù)s44上述步驟，直到網(wǎng)絡(luò)空間被分成滿足最優(yōu)分簇?cái)?shù)的k個初始簇空間。

24、上述的一種基于分層法的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由方法，所述步驟s5包含以下步驟：

25、s51在各個初始簇空間內(nèi)，由質(zhì)心節(jié)點(diǎn)運(yùn)行基于灰狼算法(grey?wolf?optimizer,gwo)的簇頭優(yōu)選算法；

26、s52首先進(jìn)行種群初始化，各個簇空間內(nèi)隨機(jī)生成一組候選簇頭節(jié)點(diǎn)作為初始解。設(shè)置算法迭代次數(shù)為100次，設(shè)置種群規(guī)模為簇空間內(nèi)簇成員節(jié)點(diǎn)數(shù)的1/4；

27、s53在基于灰狼算法的簇頭優(yōu)選算法中，為了優(yōu)化簇頭選擇，提高網(wǎng)絡(luò)的生命周期，本發(fā)明設(shè)置的適應(yīng)度函數(shù)有以下五個，他們分別是：節(jié)點(diǎn)剩余能量、節(jié)點(diǎn)間距離、簇頭與基站間距離、節(jié)點(diǎn)度以及節(jié)點(diǎn)的中心性；

28、s54對于種群中每一只“灰狼”(候選簇頭)，計(jì)算其適應(yīng)度函數(shù)，適應(yīng)度較高的節(jié)點(diǎn)更有可能被選擇為簇頭，將適應(yīng)度最高的三個候選簇頭節(jié)點(diǎn)分別標(biāo)記為α、β、δ狼；

29、s55根據(jù)灰狼算法的基本流程，更新每一只狼的位置，分別計(jì)算距離系數(shù)a和c；根據(jù)α、β、δ狼的位置更新每一只灰狼的位置；

30、s56計(jì)算更新后的位置(即新的候選簇頭)的適應(yīng)度值，若新的候選簇頭節(jié)點(diǎn)的適應(yīng)度值更好，則更新α、β、δ狼的位置；

31、s57重復(fù)步驟s54至s56,知道達(dá)到預(yù)設(shè)的迭代次數(shù)，每個簇空間完成簇頭優(yōu)選，每個簇空間的α狼設(shè)置為本簇的簇頭節(jié)點(diǎn)。

32、上述的一種基于分層法的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由方法，所述步驟s6包含以下步驟：

33、s61本發(fā)明中分簇網(wǎng)絡(luò)主要的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)由簇頭節(jié)點(diǎn)完成，簇成員節(jié)點(diǎn)只與相應(yīng)的簇頭節(jié)點(diǎn)通信。因此簇頭節(jié)點(diǎn)的能量往往消耗較快且每個簇頭節(jié)點(diǎn)能耗不均，為了實(shí)現(xiàn)簇頭節(jié)點(diǎn)間的能量均衡，設(shè)立能量閾值eth；

34、s62簇頭節(jié)點(diǎn)利用歷史網(wǎng)絡(luò)信息和鄰節(jié)點(diǎn)信息將鄰接表中的有效轉(zhuǎn)發(fā)簇頭節(jié)點(diǎn)劃分至候選集，計(jì)算有效節(jié)點(diǎn)的平均剩余能量，定義為能量閾值eth，剩余能量低于閾值的簇頭節(jié)點(diǎn)不參與本次數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)；

35、s63發(fā)送數(shù)據(jù)的簇頭節(jié)點(diǎn)計(jì)算候選集內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的傳輸成本，根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的傳輸成本按照升序排列轉(zhuǎn)發(fā)候選集ci中的轉(zhuǎn)發(fā)簇頭節(jié)點(diǎn)順序；

36、s64候選集ci中優(yōu)先級最高的轉(zhuǎn)發(fā)簇頭節(jié)點(diǎn)ci1若收到數(shù)據(jù)包，那么不管其他候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)是否接收到數(shù)據(jù)包，ci1將被是為轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的下一跳；假設(shè)第一優(yōu)先級的ci1未成功接收到數(shù)據(jù)包，則有第二優(yōu)先級的候選簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)，以此類推。

37、有益效果：

38、本發(fā)明提出了一種基于分層法的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇方法，首先利用改進(jìn)的分簇方法先對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)空間進(jìn)行簇空間的劃分。再在預(yù)先劃分的簇空間內(nèi)進(jìn)行簇頭選舉，有效的解決了傳統(tǒng)分簇方式中存在的簇空間劃分不均勻所導(dǎo)致的節(jié)點(diǎn)能量消耗不均衡問題。在簇頭選舉階段，提出用于選舉最佳簇頭的五個適應(yīng)度函數(shù)。在預(yù)先劃分的簇空間內(nèi)利用gwo算法進(jìn)行簇頭選舉，這避免了在整個網(wǎng)絡(luò)空間中選取全部簇頭節(jié)點(diǎn)導(dǎo)致的簇頭節(jié)點(diǎn)分布過密的問題，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的簇空間功能劃分上，簇成員節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和向簇頭節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)，簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)管理簇成員節(jié)點(diǎn)以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，明確不同節(jié)點(diǎn)分工，提高了網(wǎng)絡(luò)的生命周期。在簇間通信環(huán)節(jié)，簇頭節(jié)點(diǎn)基于能量閾值和轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先值判斷是否參與轉(zhuǎn)發(fā)工作。由剩余能量較高的簇頭節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)工作，這不僅提升了簇頭節(jié)點(diǎn)能量消耗的均衡性，還避免了個別簇頭節(jié)點(diǎn)頻繁參與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)導(dǎo)致能量提前耗盡的問題。

39、從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，本發(fā)明提出的方法比傳統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)分簇方法構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)壽命更長，能量消耗也較為均衡。可用于鋪設(shè)、構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有一定的應(yīng)用前景。