[发明专利]一种基于最小能耗的无线传感器网络分簇路由方法

权利要求书

1.一种基于最小能耗的无线传感器网络分簇路由方法，其特征在于：本发明方法是以每环间能耗最小为原则，计算出每个圆环中的最佳簇首数目；在成簇阶段运用模糊控制的方法对每个簇进行簇首的选举，将节点的位置信息以及节点的剩余能量信息作为模糊控制器的输入，节点的成簇概率为模糊控制器的输出，最后成簇概率大的节点成为簇首；在路由传输阶段，采用等距离的多跳传输方式，通过公式计算每环内节点的多跳可能，然后计算每种传输方式的下一跳位置，并根据下一跳环中的簇首节点的个数、剩余能量、跳距以及跳数计算每条路径的传输权重函数，最后选择权重函数小的路径方式进行传输；

所述的计算每环中的最佳簇首数目，是根据每环中节点数目的不同，组成不同规模的簇，通过环间能耗最小的原则，计算最佳簇数；网络中每个簇的能量消耗可以分为两部分：簇首消耗能量以及节点消耗能量，假设第 i 环最佳簇数用表示m_i,第i环簇首消耗的能量：

其中，N_i为第i环中节点个数，l表示数据大小，E_rx和E_tx分别表示节点接收和发送数据所消耗的能量，E_DA表示融合1单位数据的数据所消耗的能量；

第i环每个节点消耗的能量：E_chi-node=lE_tx

一个簇消耗的能量总和：

则第i环消耗的能量：

其中，r为环宽，令可求得最佳簇数为：

其中，为自由空间传输损耗，E_elec为收发电路的功耗系数，E[d²_chi-ch(i-1)]是第i环簇首到第i-1环簇首距离平方的期望；

所述的采用模糊控制的方法选择每个簇的簇首；首先，将网络中的每个节点信息作为模糊控制器的输入，包括节点的位置信息以及节点自身的剩余能量，进入模糊控制器后，通过模糊语言及相应的隶属函数对输入的消息进行模糊化，其中，节点位置的模糊变量为“很近(NB)、 近(NM)、较近(NS)、中(M)、较远(PS)、远(PM)、很远(PB)”，节点的剩余能量模糊语言变量为“很高(PB)、高(PM)、较高(PS)、中(M)、较低(NS)、低(NM)、很低(NB)”；然后根据设定 if-then模糊控制规则对模糊化的数据进行推理后，得到模糊控制器的输出，但此时输出的是模糊语言变量，其中，节点成为簇首的概率“很低(NB)、低(NM)、较低(NS)、中(M)、较高(PS)、高(PM)、很高(PB)”需要经过质心法解模糊，输出的结果为节点成为簇首的概率;

所述的路由传输阶段，是在每环簇建立完成，簇成员开始进行数据传输，簇头选择多跳的传输方式进行传输，由于采用多跳方式进行传输，所以有多种传输方式，以环i为例进行，第i环内簇首传输的所有可能方式可通过下式计算：

用H(k)表示簇首在每种情况下的多跳数，则每种情况下的多跳数可通过下式计算得到：

采用不同的传输方法，第i环簇首的下一跳所在环数可以由下式算出：

所述的权重函数是在计算完节点的所有传输可能后，综合考虑下一跳所在环内簇首的数目、剩余能量以及跳距，可通过下面的公式计算：

其中：CURRENT_CYCLES为第i环簇首所在环数，c₁、c₂、c₃、c₄为节点数、剩余能量、跳距以及跳数的加权因子加权因子，r为当前传输进行轮数，N_res为下一跳所在环的第r_i轮存活节点数，N_int为下一跳节点所在环的初始节点数，d_hop为簇首节点下一跳传输的距离，d_max为网络中节点距SINK节点的最远距离，E_int为节点的初始能量，E_res为节点的剩余能量， H( k )为节点到 SINK 节点的跳数，E_id为每个节点的固定消耗；

传输过程的具体方法流程如下：

1)分簇完成后，各簇首节点根据公式计算该节点向汇聚节点传输数据时的跳数，以及下一跳节点所在的环数；

2)当簇首节点要向汇聚节点发送信息时，根据 1)中计算的结果，找到它的所有情况下的下一跳的簇首节点，并向其他节点广播 EDGE_HEADNDE_MSG 信息；

3)当下一跳簇首节点接收到 EDGE_HEADNDE_MSG 消息后，将自身位置以及剩余能量向下一跳簇首节点广播 NEXT_HEADNODE_MSG 消息；

4)下一跳簇首节点根据接收到的NEXT_HEADNODE_MSG消息，根据权重函数公式计算该条路径的权重函数，并与其他路径的权重函数相比较，选择权重函数最小的路径进行数据的传输；

5)在计算下一跳时，重复 2)3)4)步，直至下一跳节点是汇聚节点为止。