[发明专利]基于量子礁鲨机制的无线传感器网络分簇路由方法

说明书

本发明提供基于量子礁鲨机制的无线传感器网络分簇路由方法。此方法采用与LEACH相同的按“轮”周期运行方式，每轮包括动态成簇、动态簇首竞争和稳定数据传输三个阶段，以优化节点监测及控制数据在网络中的路由传递，均衡网络能耗，延长网络生命周期。在动态成簇阶段，根据当前网络状态判断是否需要动态成簇，若需要则采用量子礁鲨优化机制实现WSN节点动态成簇，以避免“热区”，其仿生于礁鲨捕食过程并结合模拟量子旋转门来演化量子礁鲨量子态，收敛速度快、收敛精度高，且具有更好的鲁棒性；在动态簇首竞争阶段，综合考虑节点剩余能量、节点与基站距离、节点与簇内其他节点距离三个因素并结合当前轮的网络特征来选举最优簇首。

技术领域

本发明属于无线传感器网络拓扑控制领域，具体涉及的是基于量子礁鲨机制的无线传感器网络分簇路由方法。

背景技术

无线传感器网络WSN位于物联网的感知层，是由众多微型传感器节点构成的一种分布式多跳自组织网络，已广泛应用于入侵检测、环境感知、环境监测、室内监控和流量分析等领域。传感器节点可以感知网络，收集和处理数据并将信息传输给监测中心。传感器节点监测到的数据如何沿着其他节点传输，如何传输到监测中心，即是WSN路由协议要解决的问题。无线传感器网络节点计算能力有限、能量有限且无法更换电池等原因使得在设计路由协议时必须遵循协议简单和能量优先的原则，尽量节能以延长节点的使用寿命，进而延长无线传感器网络的生命周期。

WSN路由协议主要分为平面路由和层次路由。在平面路由中，所有传感器节点具有相同的功能和地位，传感器节点之间协同工作共同完成环境感知与抽象、数据处理与传输等任务，平面路由简单、健壮性好，但建立和维护路由的开销过大，信息冗余大，数据传输跳数多，故而仅适合小规模网络。在层次路由中，网络通常被划分为簇，每个簇由一个簇首和多个簇成员组成，簇内成员与簇首通信，簇首与基站通信，层次路由可扩展性好、能量损耗低，适合大规模网络。典型的层次路由协议LEACH以其较低的能耗获得了广泛的应用，即使存在簇首分布不均匀、簇首竞争不合理等问题，但LEACH在一定程度上保证了每个节点在竞争簇首时是平等的，均衡了网络能耗，延长了网络生命周期。

通过对现有技术文献的检索发现，张雅琼在《控制工程》(2015,22(06):1181-1185)上发表的“基于K-Means的无线传感网均匀分簇路由算法研究”中利用K-Means聚类进行分簇，采取一次成簇、多次簇首更新机制，提升了网络性能，但在成簇阶段采用的K-Means聚类对初始聚类中心过于敏感；在簇首竞争阶段未考虑当前竞争节点与其他节点的距离因素；在数据传输阶段硬性规定簇首与基站单跳通信。董发志等在《计算机应用》(2019,39(08):2359-2365)上发表的“基于遗传算法和模糊C均值聚类的WSN分簇路由算法”中采用动态分簇、动态簇首更新机制，将轮询控制引入WSN并作为簇内通信介质访问机制，进一步提升了网络性能，但在数据传输阶段硬性规定簇首与基站单跳通信，导致距离基站较远的簇首能量损耗过大。孙爱晶等人在《通信学报》(2021,42(03):91-99)上发表的“基于PSO优化模糊C均值的WSN分簇路由算法”中采用动态分簇、动态簇首更新机制，规定簇首与基站单跳或多跳通信，并引入猫群机制来进行中继节点的选择，进一步提升了网络性能，但在簇首竞争阶段未考虑当前竞争节点与基站的距离因素；在成簇阶段引入粒子群机制优化FCM聚类、在数据传输阶段引入猫群机制选择中继节点，这就导致了网络计算量的剧增，违背了协议简单原则。已有文献的检索结果表明，现有的无线传感器网络分簇路由协议存在着“热区”问题，即WSN网络节点分簇不均匀，易生成极大簇或极小簇；存在着“回传”问题，即某簇内节点到簇首节点和该簇首节点到基站的距离和要远大于该簇内节点直接到基站的通信距离；存在着计算复杂度高、协议鲁棒性差和网络生命周期短等问题。

发明内容

本发明的目的为了优化节点监测及控制数据在网络中的路由传递，均衡网络能耗，延长网络生命周期的基于量子礁鲨机制的无线传感器网络分簇路由方法。

本发明的目的是这样实现的：

基于量子礁鲨机制的无线传感器网络分簇路由方法，包括以下步骤：