[发明专利]基于能效的WSN分簇多跳传输方法

说明书

本发明公开了一种基于能效的WSN分簇多跳路由方法，该方法包括以下步骤：在待测区域随机部署传感器的节点；对网络中的节点信息进行初始化，根据节点在网络的位置关系，确定节点到基站的最小节点路由成本；通过聚簇多跳传输模式预筛选出满足成为簇首的节点，根据节点的位置关系对节点重新编码；重新编码的节点进行簇首选择；选择出来的簇首进行全局最优搜索，确定非簇首节点；通过最小路由成本的非簇首节点与基站进行数据传输。本发明通过使用多跳传输模式，减少了每次数据传输的距离，降低了传输过程的能量消耗；通过在目标函数引入节点路由成本，平衡了网络中CH的负载，确保所选择的CH在数据传输阶段最优，进一步减少能量消耗，提高了网络能效。

技术领域

本发明属于WSN技术领域，具体涉及基于能效的WSN分簇多跳传输方法。

背景技术

无线传感器网络是物联网中一个重要的组成部分，是一种基础设施较少并且资源受约束的网络；网络需要节点间协作通信完成网络建立，目的是收集数据和传输数据到指定接收点。无线传感器网络通常是由数百或数千个传感器节点连接构成，这些节点随机分布于待检测的环境中，用于感知和自然信息采集和处理并评估数据和转发与接收数据。科技高速发展，现如今的传感器节点的制造成本低廉，大大降低了无线传感器在感知、处理和传输信息的总体成本，使得无线传感器在物联网技术中具有更高的竞争力。WSN的体系结构受到各种参数的影响，如可扩展性、容错性、能效等。能量效率问题是无线传感器网络首要面临的最大挑战，也是是网络建立首先考虑的问题，每个传感器节点的能量有限，并且目前技术无法广泛利用补充能源方法来解决能量有限问题；为了提高网络的鲁棒性，高效的拓扑管理是提高能量利用效率并延长网络生存时间主要方法。提高网络的能量效率,优化网络拓扑结构，使节点处于最小能量消耗下进行数据传输，是延长网络生存周期的有效办法。

首先出现基于分簇的路由协议是LEACH，该协议是将网络中节点分簇，在簇内随机选取节点轮流作为CH，簇内成员节点将采集到的数据发送给CH。分簇结构减少了传输的数据量和数据通信的延迟，便于优化网络管理。但该算法中CH随机选择导致了网络能效低下，网络稳定性差。

在分簇结构中，CH选择的问题一直被认为是多项式复杂程度的非确定性问题(NP-Hard)。在相关研究中，元启发式优化算法被认为是高能效的CH选择算法，算法随机将一些节点作为CH，通过计算CH的目标函数，包括CH的剩余能量、节点到CH的距离、CH到基站的距离、CH的成员节点的个数、CH的中心度，算法根据目标函数的值进行寻优，确定目标函数值最小的一组节点，作为网络中的CH节点。随后在通过元启发式算法寻找CH数据传输到BS的最优路径。但该方法在的CH选择寻优中，没有考虑到节点随机分布的因素，导致寻优效果不理想。

在大型网络中，距离BS较远的CH，通常采用CH间多跳方式进行数据传输，方法是将其它CH充当中转节点，最终将数据传输到BS。这种方式可以避免远距离数据传输导致能量消耗过快，不足是这种传输方式增加了CH的消耗，另外少量CH节点间形成的传输路径，并不是最优的数据传输路径。

发明内容

本发明针对上述的不足之处提供一种减少从数据传输过程能量消耗的基于能效的WSN分簇多跳传输方法。

本发明目的是这样实现的：基于能效的WSN分簇多跳路由方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤S1：定义待测空间的大小，在待测区域随机部署传感器的节点，所有传感器都有唯一的节点编号，节点获得自身的位置和基站的距离；

步骤S2：对网络中的节点信息进行初始化，并根据节点在网络的位置关系，确定所有节点到基站的最小节点路由成本；

步骤S3：通过聚簇多跳传输模式预筛选出满足成为CH的节点，并根据节点的位置关系对节点重新编码；CH表示簇首；

步骤S4：设计合理的目标函数；对重新编码的节点进行全局最优搜索；确定最优CH组合；