[发明专利]基于虚拟分扇的簇间多跳路由算法

说明书

本发明基于虚拟分扇的簇间多跳分簇路由算法VSMC属于网络节点算法领域，解决了无线传感器网络能耗较大，簇头分布不均的问题，算法首先根据最优簇头数对区域虚拟分扇，使簇头数保持在理论上的最优值且分布均匀；其次，综合考虑能量和地理位置因素设计簇内、簇间代价公式，合理选择簇头和父簇头；最后，通过能耗对比分析得到距离阈值公式，建立簇间多跳路由的传输方式，从而本发明VSMC算法能够有效的优化簇头分布不均问题，延长网络生存周期。

技术领域

本发明属于网络节点算法领域，特别是涉及一种基于虚拟分扇的簇间多跳路由算法。

背景技术

近年来，随着电子技术和无线通信的技术创新，无线传感器网络(WSN)得到了飞速发展。能量受限是无线传感器网络显著特点之一，因此需要一种高效节能的路由协议来节省能源，延长网络寿命。

网络路由协议通过寻找从源节点到目的节点之间的最优路径来节约能量。从网络拓扑角度，路由协议分为两大类：平面路由协议和分簇路由协议。分簇路由协议较平面路由协议有较好的可扩展性和较高的能量利用率，故成为提高无线传感器网络生存周期的有效途径之一。

LEACH(Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy，低能耗自适应分簇层次算法)协议是第一个含有成簇思想的无线传感器网络路由协议。其主要是通过“轮”随机循环的进行簇头选举和簇重构，将整个网络的能量均衡分配到每个节点，提高网络的生存周期。虽然LEACH协议在很大程度上能提高网络的生存周期，但还存在一些不足。LEACH-ECHC算法通过引入新的阈值公式，在选择簇头时综合考虑了节点的剩余能量和与基站的距离，提高了网络的生命周期。UCS是第一个提出以非均匀分簇的方法来均衡簇头间的负载，算法以簇头能耗相同为目标，根据期望的中继负载来改变簇的大小。但UCS中簇头的位置是事先设计好的，并且网络死亡之前网络分簇不变，故不适合随机部署的WSN网络，在实际操作中难以实现。EEUC算法通过为不同距离的节点分配相应的竞争半径来实现非均匀分簇，但一些参数如最大竞争范围、距离阈值等需要人工选取，随机性大，操作困难。针对UCS和EEUC的缺陷，刘志等人提出了RBMC算法，算法将监测区域划分为若干个同心圆环，通过能耗最小化和能耗均匀的原则，推导出各环最优簇头数，最终形成一个能耗均匀、簇大小异构的多跳WSN网络。但RBMC算法仍然使用LEACH和SEP算法的阈值公式选择簇头，没有考虑簇头能量、地理位置等因素。在RBMC的基础上提出了ERBMC算法，通过在阈值公式、多轮选择机制和多跳路由上的改进，来节约网络的能耗。提出虚拟分块非均匀分簇算法VBUC，该算法通过对区域虚拟分块来选择簇头，且在簇头选举时考虑了能量和距离因素。

由于上述算法中簇头均是随机选取的，不能保证算法得到的簇头数为理论计算的最优簇头数，故不能达到理想的节能目标；另一方面，在簇间多跳路由选择时，只考虑了距离因素，未考虑剩余能量对父簇头选取的影响。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，解决了现阶段无线传感器网络能耗较大，簇头分布不均的问题，旨在提供一种基于虚拟分扇的簇间多跳分簇路由算法，本算法通过虚拟分扇、簇内通信代价公式、簇间通信代价公式和簇间距离阈值公式的设计，能有效的克服现有算法的缺陷，提高网络的生存周期。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：基于虚拟分扇的簇间多跳路由算法，按照以下步骤实现：

1)初始阶段T₁：在初始阶段T₁，根据网络能耗和各环簇头能耗均衡的原则计算出各环簇头个数m＝{m₁,m₂,...,m_s}，则各环簇头概率p＝{p₁,p₂,...,p_s}，其中p_k＝m_k/N_k，s为网络的总环数，N_k为第k环的节点数，k的取值范围为1≤k≤s，