訪問簇首，重復運行本步驟，直到探測分組抵達基站。
[0099] 第四步：信息素的更新。待所有探測分組到達基站后，從每個簇首的探測分組中選 出路徑最短的分組，按照公式（12)更新這些探測分組經(jīng)過的路徑上的信息素。至此，完成 一次算法的迭代。
[0100] 第五步：終止或返回。若算法迭代次數(shù)已達到NC_max，則終止蟻群算法并輸出最 優(yōu)路徑結(jié)果，否則，返回第二步繼續(xù)迭代。
[0101] 族間路由選擇階段的算法也是由基站完成。待基站完成了族域的建立和族間路由 選擇，會向全網(wǎng)發(fā)送廣播包。網(wǎng)絡中的所有節(jié)點接收廣播包，并將與自己相關(guān)的配置信息存 儲下來，在數(shù)據(jù)傳輸階段使用。
[0102] 4.數(shù)據(jù)傳輸
[0103] 本發(fā)明在運行到數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪┹啎r，采用增加節(jié)點狀態(tài)包的方式，即各節(jié)點在發(fā) 送數(shù)據(jù)包的同時增發(fā)一個狀態(tài)包，將節(jié)點當前的屬性通報給基站。狀態(tài)包中包含了本節(jié)點 的剩余能量、所屬簇域、ID號以及位置等信息。通過節(jié)點狀態(tài)包，基站能夠完整地掌握網(wǎng)絡 中所有節(jié)點的實際情況，保證了成簇階段和簇間路由選擇階段的算法能得出最佳的運行結(jié) 果。
[0104] 數(shù)據(jù)傳輸階段的實現(xiàn)過程：首先，各簇域內(nèi)的簇首采用TDMA方式為成員節(jié)點分配 發(fā)送數(shù)據(jù)的時間點，成員節(jié)點在其時間點內(nèi)向簇首發(fā)送數(shù)據(jù)包；然后，簇首整合成員節(jié)點的 數(shù)據(jù)，再發(fā)送至基站；簇首在與基站通信過程中會根據(jù)其與基站的距離，決定是否采用多跳 的方式向基站發(fā)送數(shù)據(jù)；如果距離大于d。，則按照蟻群算法得出的最優(yōu)路由向基站發(fā)送數(shù) 據(jù)，否則簇首直接與基站通信。
[0105] 5.性能分析
[0106] 根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡的特點，先對比較協(xié)議性能的參量做一些說明。穩(wěn)定期是指 從協(xié)議開始運行到出現(xiàn)第一個節(jié)點死亡所經(jīng)過的時間，不穩(wěn)定期就是從第一個節(jié)點死亡到 最后一個節(jié)點死亡的這段時間。網(wǎng)絡高效期是指協(xié)議從開始運行到超過一半的節(jié)點死亡所 經(jīng)過的時間。傳感器網(wǎng)絡在網(wǎng)絡高效期內(nèi)能夠保持較好的監(jiān)測性能，當傳感器節(jié)點死亡數(shù) 超過一半時，監(jiān)測性能就會大幅下降。網(wǎng)絡有效期是指網(wǎng)絡協(xié)議從開始運行到節(jié)點死亡率 達到90%所經(jīng)過的時間。當傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點死亡率超過90%時，基本可以判定網(wǎng)絡失 效。
[0107] 如圖2和圖3所示，本發(fā)明在運行過程中簇域分布均勻，簇間的路由選擇合理，能 較好地減少節(jié)點向基站傳輸數(shù)據(jù)過程中的能量消耗。
[0108] 圖4和表1是四種協(xié)議的網(wǎng)絡生存性能的對比。表1描述了本發(fā)明所述的KCA0R 協(xié)議與LEDACH、SEP和DEEC協(xié)議的網(wǎng)絡性能的對比：
[0109] 表 1 :
[0110]
[0111] 在無線傳感器網(wǎng)絡中，基站需要通過傳感器網(wǎng)絡獲取監(jiān)測區(qū)域的可靠和全面的數(shù) 據(jù)，因此穩(wěn)定期的長度是無線傳感器網(wǎng)絡最重要的度量標準。當網(wǎng)絡中節(jié)點死亡率在50% 以內(nèi)時，傳感器網(wǎng)絡對監(jiān)測區(qū)域能保持較好的數(shù)據(jù)采集效果；而當節(jié)點死亡率超過90% 時，網(wǎng)絡已經(jīng)無法向基站提供監(jiān)測區(qū)域的可靠和全面的數(shù)據(jù)了，可以判定網(wǎng)絡死亡。從對比 結(jié)果中可以看到，本發(fā)明的穩(wěn)定期、高效期和有效期的持續(xù)時間均好于其他協(xié)議，較好地延 長了傳感器網(wǎng)絡的生存時間。
[0112] 圖5是四種協(xié)議能量消耗的對比。從圖中可以看到，DEEC協(xié)議的能量消耗要低于 LEACH和SEP協(xié)議。與DEEC協(xié)議相比，KCA0R協(xié)議在第400輪、第800輪和第1600輪時的 能量消耗分別減少了 29. 9 %、8.1 %和0. 5 %。這是由于本發(fā)明的簇域分布更均勻，簇首數(shù) 量穩(wěn)定且選取合理，較好地降低和均衡了簇內(nèi)成員節(jié)點的能量消耗；簇間采用了最佳的傳 輸路線，進一步降低了簇首節(jié)點的能量消耗，提高了網(wǎng)絡能量的使用效率。
[0113] 圖6是四種協(xié)議的基站在網(wǎng)絡有效期內(nèi)收到的數(shù)據(jù)包總數(shù)的對比。從圖中可以看 到，本發(fā)明的基站收到的數(shù)據(jù)包總數(shù)遠高于其他協(xié)議。數(shù)據(jù)包總數(shù)越大說明網(wǎng)絡對監(jiān)測區(qū) 域的數(shù)據(jù)采集越全面，基站對監(jiān)測區(qū)域的監(jiān)測能力越好。
【主權(quán)項】
1. 一種基于κ-means聚類和蟻群算法的多級異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡分簇路由方法，其特 征是：包括： 基于K-means聚類的無線傳感器網(wǎng)絡分簇； 基于蟻群算法的無線傳感器網(wǎng)絡簇間路由選擇； 在數(shù)據(jù)傳輸階段，簇首采用單跳和多跳相結(jié)合的方式傳輸數(shù)據(jù)，同時在數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪?輪， 通過增加節(jié)點狀態(tài)包，基站能夠完整掌握全網(wǎng)節(jié)點的實時狀態(tài)信息。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是：所述的基于K-means聚類的無線傳感器網(wǎng) 絡分簇方法，具體步驟如下： (1) 確定簇域數(shù)量：由DEEC協(xié)議的最優(yōu)簇首數(shù)量計算公式（1)確定無線傳感器網(wǎng)絡中 簇首的最優(yōu)個數(shù)，作為網(wǎng)絡的最優(yōu)簇域數(shù)量K ;其中，N為無線傳感器節(jié)點個數(shù)，M為正方形監(jiān)測區(qū)域的邊長，dtoBS為簇首與基站之間 的平均距離，ε fs和ε #為無線傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)時的能耗參數(shù)； (2) 聚類算法分簇：從全網(wǎng)節(jié)點中隨機選取K個節(jié)點作為每個簇域的初始質(zhì)心，計算 其余節(jié)點與各初始質(zhì)心的距離，將節(jié)點劃分至最近的簇域中；更新所有簇域的質(zhì)心，并計算 K-means聚類算法的準則函數(shù)，若不收斂，則對全網(wǎng)節(jié)點重新分簇，更新質(zhì)心，直至準則函數(shù) 收斂； (3) 均勾簇域負荷：確定算法的迭代次數(shù)NC_max，根據(jù)簇域最優(yōu)成員節(jié)點數(shù)量公式（2) 確定各個簇域的最優(yōu)成員節(jié)點數(shù)量Num cipt;對成員節(jié)點數(shù)量小于Num _的簇域進行拆解，成 員節(jié)點數(shù)量大于他111_的簇域進行拆分，直到算法的迭代次數(shù)達到NC_max ;(4) 簇首選擇：對每個簇域內(nèi)的節(jié)點剩余能量值進行比較，選擇剩余能量值最大的節(jié) 點作為本簇域的簇首。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是：所述的基于蟻群算法的無線傳感器網(wǎng)絡簇 間路由選擇方法，具體步驟如下： (1) 根據(jù)各節(jié)點之間的距離長度確定每條路徑的啟發(fā)因子n ^，設置算法的迭代次數(shù) NCjnax以及其他一些參數(shù)； (2) 每個簇首產(chǎn)生k個探測分組，并將這些探測分組隨機發(fā)送至各個簇首，探測分組每 經(jīng)過一個簇首便將該簇首記錄到自己對應的禁忌表中； (3) 每個探測分組依據(jù)概率公式（3)確定下一個待訪問的簇首，直至探測分組抵達基 站；to_vi sit = N-Tabuk (4) 其中，N表示節(jié)點集合，Tabuk表示第k只蟻群已經(jīng)過的節(jié)點集合即禁忌表，to_visit為 待訪問的節(jié)點集合即候選集；TljU)表示t時刻路徑ij上的信息素量；Tl u為路徑ij的 啟發(fā)因子，我們?nèi)」?jié)點i與j之間距離的倒數(shù)；α、β分別表示每條路徑上信息素和啟發(fā)因 子的相對重要程度； (4) 待所有探測分組到達基站后，分別從每個簇首的探測分組中選出游歷路徑最短的 分組，對這些探測分組所經(jīng)過的路徑上的信息素進行更新； (5) 回到（2)繼續(xù)進行，直至算法的迭代次數(shù)達到NC_max。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是：在數(shù)據(jù)傳輸階段，每個簇域內(nèi)的成員節(jié)點按 照各自分配到的傳輸數(shù)據(jù)的時間點向簇首發(fā)送數(shù)據(jù)；簇首根據(jù)與基站的距離確定其數(shù)據(jù)傳 輸方式：單跳或多跳；在數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪┹?，每個節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)包的同時增加一個包含本 節(jié)點當前剩余能量、所屬簇域、ID號以及位置等信息的節(jié)點狀態(tài)包。
【專利摘要】本發(fā)明公開了提出的一種基于K-means聚類和蟻群算法（ant？colony？optimization,？ACO）的分簇路由協(xié)議（K-means？clustering？and？ACO？optimal？routing，即KCAOR協(xié)議）。在多級異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡環(huán)境下，首先由最優(yōu)簇首個數(shù)公式確定監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的最佳簇域數(shù)量，然后采用K-means聚類方法將網(wǎng)絡中的節(jié)點自然聚集成相應的簇域；提出簇域均勻優(yōu)化策略，實現(xiàn)網(wǎng)絡能耗的均勻分布，再根據(jù)簇內(nèi)節(jié)點的剩余能量值選舉簇首；采用蟻群算法確定簇首與基站之間的多跳最優(yōu)路由，均衡簇首之間的能量消耗；在數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪┹?，通過增加節(jié)點狀態(tài)包，基站能夠?qū)崟r掌握網(wǎng)絡的運行情況，實現(xiàn)協(xié)議的優(yōu)化。本發(fā)明能夠有效均衡網(wǎng)絡的能量消耗，延長生存時間，提高無線傳感器網(wǎng)絡的性能。
【IPC分類】H04W40/10, H04W84/18, H04W40/02
【公開號】CN105072656
【申請?zhí)枴緾N201510404338
【發(fā)明人】溫佩芝, 許晨蛟, 邵其林, 張文新
【申請人】桂林電子科技大學
【公開日】2015年11月18日
【申請日】2015年7月10日