[发明专利]基于模糊逻辑的无线传感器网络改进多跳LEACH协议的数据传输方法

说明书

本发明涉及一种无线传感器网络多跳路由协议，特别是一种基于模糊逻辑的无线传感器网络多跳LEACH协议，其所要解决的技术问题是针对现有的逐跳通信，端到端的延迟和热点问题。利用模糊逻辑控制器，根据剩余能量、数据长度和到基站的距离计算最优跳数，降低了网络能耗，从而使网络寿命最大化。此外，提出了一种基于剩余能量、节点中心度和与BS距离的阈值函数来选择CH，从而使CH均匀分布。将跳数与剩余能量和成员数相结合，选择最优的中间信道向基站转发数据。最后，通过大量仿真对其性能进行了评估，IMF‑LEACH在平均跳数、平均端到端延迟、能耗比和网络生存期等方面都有很大的提升。

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络多跳路由协议，特别是一种基于模糊逻辑的无线传感器网络多跳LEACH协议IMF-LEACH(Improved Multi-hop LEACH protocol based onFuzzy logic controller)，IMF-LEACH综合考虑剩余能量、节点中心度和与基站的距离因素，对LEACH 中的簇头阈值进行优化，形成一个相对稳定、分布均匀、节能的簇结构。然后利用模糊逻辑控制器根据剩余能量、数据长度和到基站的距离来确定簇头CH(Cluster Head)跳数，并基于该跳数进行数据传输，从而减小网络端到端延迟和平均跳数。

背景技术

无线传感器网络(wireless sensor networks，WSNs)作为物联网(Internet ofThings， IoT)中最重要、最基本的信息采集技术之一，通过内置各种传感器的节点来测量周围环境中的热、红外、声纳和地震信号。由于无线传感器网络节点的能量受限，如何节约能量以延长网络生命周期是无线传感器网络面临的最重要挑战。通过分簇来最大限度地延长无线传感器网络使用寿命被证明是能量有效和扩展性好的方法。在任一簇中，通过运行一定的方法选择一个节点作为簇头，然后簇头CH接收其簇内成员节点CM(Cluster Member)数据并融合，以单跳或多跳方式将其发送到基站BS(Base Station)。在过去的几十年里，人们在提高成簇方法的性能方面做出了很大的努力，并取得了预期的结果。LEACH(LowEnergy Adaptive Clustering Hierarchy)是面向WSN的最早分簇协议，它包含了簇头选举、成簇、创建调度机制、数据传输和重新成簇五个过程。至今提出了很多改进算法对这五个过程中的一个或多个方面进行改进来提高LEACH的性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有LEACH协议由于单跳通信导致的端到端延迟和热点问题。利用模糊逻辑控制器，根据剩余能量、数据长度和到基站的距离计算最优跳数，降低网络能耗，从而使网络生命周期最大化。此外，提出了一种基于剩余能量、节点中心度和与BS距离的阈值函数来选择簇头CHs，从而使CHs均匀分布。将跳数、剩余能量和传输数据量相结合，选择最优的中间簇头来转发数据。最后，通过大量仿真对性能进行评估，结果表明IMF-LEACH在平均跳数、平均端到端延迟、能耗比和网络生命周期方面都有很大的改进。

本发明一种基于模糊逻辑的无线传感器网络改进多跳LEACH协议由四部分构成，即系统模型、新阈值函数成簇、模糊逻辑跳数计算和可变轮周期多跳路由。系统模型为协议实现提供模型，具体包括网络模型、能量模型和网络分层结构。新阈值函数成簇是基于LEACH 改进的阈值函数来选举簇头，考量了节点间距离、剩余能量和中心度，使位于簇中心且剩余能量多的节点成为簇头的概率大。模糊逻辑跳数计算是根据剩余能量、数据长度和到基站的距离计算各簇头的最优跳数。可变轮周期多跳路由根据簇头的跳数来选取最优的中间簇头转发数据，并采用自适应的轮时间来重新进行数据传输。