[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

说明书

本发明涉及无线传感器领域，特别涉及一种基于最小能耗的无线传感器网络分簇路由算法。包括三个部分：最佳簇首数目计算，簇首选举以及路由传输阶段。首先以每环间能耗最小为原则计算出每个环中的最佳簇首数目；然后，在成簇阶段运用模糊控制的对每个簇进行簇首的选举，将节点的位置及节点的剩余能量作为的输入，输出是节点的成簇概率，成簇概率大的节点成为簇首；最后，在路由传输阶段，采用等距离的多跳传输方式，根据下一跳环中的簇首节点的个数、剩余能量及跳距等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。相比于其他算法，本算法能节省网络中节点的能量，均衡网络中的负载，延长网络生命周期。

技术领域

本发明涉及无线传感器领域，特别涉及一种基于最小能耗的无线传感器网络分簇路由方法。本方法能节省网络中节点的能量，均衡网络中的负载，有效的延长网络生命周期。

背景技术

近些年来，随着微电子技术、无线通信技术以及传感器技术的迅猛发展，无线传感器网络在军事、森林防火、海洋监控等方面有广泛的应用前景。但由于受布置环境、地理位置、布置成本等因素的影响，如何对传感器网络中有限的能量进行充分的利用，延长其工作寿命成了传感器网络的研究重点。

Heinzelman等人提出了一种典型的网络分簇路由算法，其核心思想是在网络中随机选取簇首，对网络分簇。通过簇首收集簇内节点的信息，并将数据信息进行处理融合后发送至汇聚节点，减少了其他节点与基站间的直接通信，降低了能量的消耗。李建坡等人提出了一种基于能量迭代的非均匀分簇路由算法。该算法在簇首选举时通过减少迭代次数已达到降低能量消耗的目的，同时综合考虑节点能耗速度、节点到汇聚节点的距离等因素，选出最优簇首。Yadav R等人提出的一种改进的LEACH算法（improved leach routing protocolwith softcomputing, LEACH-R）。LEACH-R针对 LEACH 算法中簇首选举过程综合考虑节点能量、距离、分布密度等因素选取更加合理的簇首；同时对簇的大小进行优化，使簇首 能耗更加均衡。但是该算法传输方式使用簇首与基站直接通信的方式，这使传输 路径加长，使数据传输能耗过大。蒋畅江等人提出了采用基于时间的簇首竞争的非均匀分簇算法，减小基站附近节点的成簇半径来实现网络能量的均衡。Batra P K等人提出一种改进的LEACH-MAC协议，该协议稳定了每轮所选出的簇首个数，避免了LEACH协议每轮选举簇首数的随机性。张长森等人提出了一种能量高效的非均匀分簇算法（energy-efficient unevenclustering algorithm， EUCA）， 该算法针对 LEACH 算法中的簇首选择机制进行了改进，提出了基于节点剩余 能量的簇首选举策略，并且对EEUC算法的成簇半径和簇间路由进行了改进。 已达到延长网络周期的效果。Goetz E R等人提出了在簇首间进行多跳的路由算法，减少簇首的能量消耗，但是同时也延长了传输的路径，使数据传输的时效性变弱。

但上述做法没有完全考虑无线传感器网络的整个工作过程，只是对工作过程中的某一步进行改进，虽相比于原始算法有所改善，但还存在网络节点耗能不均匀，导致节点过早死亡，产生“热点”或“空洞”现象。

发明内容

针对如何提高网络的生存周期，平衡节点能量的问题。本发明提出一种基于最小能耗的无线传感器网络分簇路由方法。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；其次本方法在成簇阶段运用模糊控制的方法来选举每个簇的簇首，避免了由于随机选举簇首导致环内簇首分布不均匀而造成的网络负载不均衡等问题；最后，本方法簇间采用多跳的路由方式进行传输。

在网络进行工作之前，需要对网络进行初始化，由汇聚节点向网络中节点发布网络的整体消息ADV_SINK_MSG，网络中其他节点根据接收到的消息判断自身位置。在网络中每个节点都确定好自身的信息后，进入网络的工作阶段，网络的工作阶段大致可以分成三个阶段：簇首的选举、成簇阶段以及数据传输的路由阶段。本节是对本方法的上述三个阶段的具体描述。

Step1.最佳簇数选择