[发明专利]一种无线传感器网络层次路由协议

说明书

本发明公开了一种无线传感器网络层次路由协议，包括：建立无线传感器网络系统模型；设定网络参数并初始化网络状态，网络开始运行；建立当前无线传感器网络簇首配置成本函数；初始化量子凤蛾群并设定参数；定义并计算量子凤蛾所分泌的毒液量；根据量子凤蛾所分泌毒液量对全部量子凤蛾排序；量子凤蛾依同等概率执行直线或环绕飞行运动，并在飞行过程中使用模拟量子旋转门来演化量子凤蛾的量子位置；应用贪心选择策略，确定下一代量子凤蛾的量子位置；演进终止判断，输出当前无线传感器网络簇首配置结果；当前无线传感器网络稳定数据传输；无线传感器网络运行终止判断。本发明简单、高效、低复杂度，能耗效率高且能最大化网络寿命。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种无线传感器网络层次路由协议，特别是一种基于量子凤蛾机制的无线传感器网络层次路由协议方法。

背景技术

无线传感器网络WSN位于物联网感知层，是由部署在特定监测区域内众多微型传感器节点所构成的一种分布式多跳自组织无线通信网络系统，是物联网网络底层的重要技术形式，已广泛应用于科学、医疗、商业和国防等领域。大量节点、低可用数据速率以及各种受限资源限制了无线传感器网络中通用自组织Ad-Hoc路由协议的可用性。为最大程度延长网络寿命并克服有限电池容量，无线传感器网络路由协议的设计更倾向于支持资源感知和自适应性。根据网络架构，WSN路由协议可分为呈面状的平面路由协议和呈簇状的层次路由协议。

近年来，已有学者对无线传感器网络层次路由协议的设计作出了研究。Heinzelman(Heinzelman,Wendi Rabiner,Anantha Chandrakasan,and HariBalakrishnan.Energy-efficient communication protocol for wirelessmicrosensor networks.Proceedings of the33rd annual Hawaii internationalconference on system sciences.IEEE,2000.)等设计了低功耗自适应集群层次路由协议LEACH，LEACH是一种应用于双层网络架构、完全分布式、自组织和自适应的分簇路由协议，构成了当今各种无线传感器网络层次路由协议设计的基础。LEACH规定网络按设置与稳态阶段交替周期运行方式，通过随机轮换簇首及相应簇集群来均衡网络能耗，通过局部数据融合技术来减少全局通信，通过本地协作来降低网络带宽，增加系统容量。由于LEACH采用完全随机式簇首配置方式，所以LEACH在一定程度上存在着负载不均衡、能耗不均衡和可扩展性受限等问题。Heinzelman(Heinzelman,Wendi B,Anantha P.Chandrakasan,and HariBalakrishnan.An application-specific protocol architecture for wirelessmicrosensor networks.IEEE Transactions on wireless communications 1.4(2002):660-670.)等在设计集中式低功耗自适应集群层次路由协议LEACH-C的同时指出终端用户更倾向于无线传感器网络上传数据的更高级描述形式。LEACH-C规定在基站使用模拟退火算法集中式配置簇首，且簇首的选择仅在能量充沛的节点中进行。上述协议先为网络分布式或集中式配置簇首，再根据某种特定媒体介质访问控制MAC协议来搭建簇，除此之外，还可先为网络分布式或集中式搭建簇，再根据某种特定规则来分布式选举簇首。张雅琼(张雅琼.基于K-Means的无线传感网均匀分簇路由算法研究[J].控制工程,2015,22(06):1181-1185.)考虑均匀分簇设计了层次路由协议KUCR，KUCR首先在基站为网络静态集中式搭建簇，而后在本地动态分布式选举簇首。虽然KUCR可以在一定程度上延长网络寿命，但协议可扩展性受限、可实用性差，不适用于大规模网络。董发志(董发志,丁洪伟,杨志军,熊成彪,张颖婕.基于遗传算法和模糊C均值聚类的WSN分簇路由算法[J].计算机应用,2019,39(08):2359-2365.)等考虑均匀分簇设计了层次路由协议GAFCMCR，GAFCMCR首先在基站使用遗传算法优化后的模糊C均值聚类算法为网络动态集中式搭建簇，而后在本地动态分布式选举簇首。GAFCMCR以巨大计算量为代价来小幅度提升协议性能，同样不适用于大规模网络。已有文献的检索结果表明，现有的WSN层次路由协议存在着负载不均衡、能耗不均衡、计算复杂度高、可实用性差和可扩展性受限等问题，缺少一种简单高效低复杂度，能耗效率高且能最大化网络寿命的层次路由协议。