[发明专利]一种基于优化聚类分簇的双簇首WSNs自适应中继路由方法

说明书

本发明涉及一种基于优化聚类分簇的双簇首WSNs自适应中继路由方法，属于无线传感器网络分簇路由技术领域。首先，引入双簇首网络模型，以通信能耗为依据设置最优成簇规模，模糊C均值(FCM)算法根据算术优化算法(AOA)提供的初始聚类中心进行集中式成簇划分；其次，在监测区域已经划分成簇的基础上，对内外簇首的工作特性、影响簇首能耗的因素进行分析，分别为内外簇首设计独立的簇首评价函数，基于此进行分布式动态双簇首轮换；最后，对外簇首间中继转发策略的距离适用条件进行分析，并以能量消耗速率为依据选择外簇首的中继节点。本发明可以提升节点能量利用效率，从而延长了网络的生命周期。

技术领域

本发明涉及一种基于优化聚类分簇的双簇首WSNs自适应中继路由方法，属于无线传感器网络分簇路由技术领域。

背景技术

在无线传感器网络中，传感器节点通过无线通信的方式可以在特定区域内形成分布式的自组织多跳监测网络。因为传感器节点具有体积小、成本低和轻量化等特点，且通常随机部署在无人值守的场景，所以其储能部件几乎不可能也没必要更换或二次供能。然而网络的工作时间取决于节点的能量效率，因此如何优化节点的能耗水平、平衡节点的负载始终是无线传感器网络应用中的一大技术难点。针对无线传感器网络中的能耗问题，许多节能路由算法被提出。其中，分簇路由算法凭借通信能耗低、可靠性高和可扩展性好的优点，得到了广泛的研究。

本发明的技术来源于云南省基础研究计划重点项目(202101AS070016)；云南省“兴滇英才支持计划”产业创新人才项目(云发改人事[2019]1096号)；云南省技术创新人才项目(2019HB113)；云南省计算机技术应用重点实验室开放基金；云南省科技计划项目重大科技专项计划资助。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于优化聚类分簇的双簇首WSNs自适应中继路由方法，通过对传感器监测区域进行能耗均衡的成簇划分，选举能量、位置和分布密度最合理的节点为簇首以及规划节点间的最优通信路径，来对分簇路由算法的成簇阶段、簇首选举阶段以及数据传输阶段分别进行优化，从而优化了网络的拓扑结构、提高了节点的能量利用效率，使得网络生命周期得到延长。

本发明的技术方案是：一种基于优化聚类分簇的双簇首WSNs自适应中继路由方法，具体步骤为：

Step1：网络初始化。在面积为M×M的二维监测区域内随机部署N个WSNs传感器节点，所有节点同构，并且具有位置感知能力、通信功率可调。节点在监测区域内被划分成簇，每个簇可以选举内、外两个簇首，通过节点间的转发将监测数据传输到基站。一次完整的数据监测过程记为一轮，网络周期性地按轮运行。基站位于区域中心且资源不设限，基站收集监测区域中所有节点的信息，以利用基站较强的性能进行集中式成簇，可以减少节点端成簇时的计算负载。

Step2：设定能耗模型。WSNs中节点能耗主要产生于通信能耗，计算时采用一阶无线通信模型，节点发送lbit数据到距离为d的节点所需消耗的能量为：

式中，ε_fs和ε_mp为功率放大器能耗系数，为距离阈值，E_elec为设备运行能耗系数。节点接收lbit数据和将δ个lbit的数据包融合为一个的能耗分别为：

E_RX(l)＝lE_elec,E_AGG(δ,l)＝δlE_da

式中，E_da为节点融合1bit数据所需能耗。

Step3：分析双簇首模型下成簇规模与网络能耗之间的关系，以最小化网络总能耗为目标来设置最优成簇规模，来给FCM算法指定聚类数目，可以得到更加合理的分簇以平衡簇数过多导致的簇首利用率较低和簇数过少导致的簇首负载增大问题。