[发明专利]基于改进混沌遗传算法的WSN多跳LEACH路由协议

说明书

本发明涉及一种无线传感器网络（WSN）路由协议，特别是基于改进混沌遗传算法的WSN多跳LEACH路由协议ICGA‑LEACH（an improved multi‑hop LEACH protocol based on chaotic genetic algorithm for wireless sensor networks），ICGA‑LEACH考量节点剩余能量、节点剩余能量与负载比和节点中心度来定义簇头选举阈值函数，使位于簇中心、负载较小且能量多的节点成为簇头的概率大，从而形成均匀分布的簇，降低簇内通信能耗。为了降低簇间通信能耗，采用混沌遗传算法来寻找全局最优的多跳路由路径。此外，采用自适应的轮周期来进行簇维护，减少大量频繁成簇产生的控制报文，进一步降低了网络能耗。因此，ICGA‑LEACH在均衡网络负载的同时提高了网络能量效率，有效延长了网络生命周期。

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络(WSN)路由协议，特别是基于改进混沌遗传算法的WSN多跳LEACH路由协议ICGA-LEACH(an improved multi-hop LEACH protocol basedon chaotic genetic algorithm for wireless sensor networks)，ICGA-LEACH通过一个类LEACH的改进概率函数选择簇头(CH)，然后用混沌遗传算法根据构造的适应度函数寻找最优簇头和最优路径。此外，为了进一步降低网络能量消耗和延长网络寿命，考量能量和负载平衡来自适应计算轮时间。

背景技术

无线传感器网络(WSN)作为物联网中最重要、最基本的信息采集技术之一，其被广泛用于通过内置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WSN节点的能量受限，如何节约能量以延长网络寿命是WSN面临的最重要挑战。将节点分成不同的簇以最大限度地延长WSN的使用寿命被证明是节能和可扩展的。在簇中，通过运行一定的方法选择一个节点作为CH，然后CH融合各成员节点(CM)收集的数据，并以单跳或多跳模式将其发送到基站(BS)。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。低能量自适应分簇路由协议(LEACH)是WSN分簇路由协议的先驱，它包含簇头选择、成簇、调度表创建、数据传输和重新成簇五个过程。LEACH算法具有简单、分布、负载较均衡、扩展性好等优点，但其基于概率随机选举簇头、成员仅根据接收信号强度大小加入簇以及忽略簇头节点剩余能量、单跳等将导致LEACH簇头、能耗、负载分布不均，从而减小网络的的生命周期。因此，很多算法对其五个过程中的一或多方面进行了不同的改进，以提高LEACH性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对LEACH随机簇头选举、单跳通信以及忽略簇头节点剩余能量、固定轮周期导致分簇不均匀以及能耗高问题，本发明从三个方面对LEACH进行了改进：簇头选择、数据转发和簇维护。对于簇头选择，采用一个改进的阈值函数来计算阈值从而选择合适的簇头。在数据转发方面，采用混沌遗传算法来寻找全局最优的多跳路由路径，并针对所选的CH选出了CM。对于簇维护，考虑能量和负载平衡，自适应地调整轮周期。

本发明基于改进混沌遗传算法的WSN多跳LEACH路由协议ICGA-LEACH由四部分构成，即系统模型、簇头选举、寻找路径和簇维护。系统模型为协议实现提供模型，具体包括网络模型和能量模型。簇头选举是基于LEACH改进的阈值函数来选举簇头，考量了节点剩余能量、节点剩余能量与负载比和节点中心度，从而使位于簇中心、负载较小且能量多的节点成为簇头的概率大。寻找路径是使用混沌遗传算法来寻找全局最优的多跳路由路径。簇维护考量能量和负载平衡来自适应计算轮周期。