[发明专利]一种基于免疫算法的移动传感网分簇方法

说明书

技术领域

本发明涉及在移动传感网中划分簇确定簇头来提供路由能耗最小可靠通信的方案，主要设计了一种随节点密度划分簇的方法和利用一种基于密钥联通免疫算法来解决簇头的选举及安全性问题。属于分布式计算、信息安全、多智能体和人工智能交叉技术应用领域。

背景技术

无线传感网有全面感知、可靠传输、智能处理等特性。无线传感器网络有无数智能节点组成，是一种整体合作显示其功能获取信息的一种全新方式，能够实时监测和采集网络部署区域的多种数据信息，并且将采集的数据信息发送到网关节点。无线传感器网络具有快速部署、抗毁性强、实时性等特点，有着愈来愈广泛的应用前景。目前，无线传感器网路已经被成功应用到了包括军事、自然环境监测、工业生产监测、医疗保健及人类其它日常生活等在内的多个研究领域。

为了高效利用网络中的能量资源，最大限度地减少无效(冗余)数据在网络内的传输，研究人员提出了分簇的方法。从簇的工作机制可以看出，簇头节点由于承担较多的数据融合等预处理工作及转发工作，即簇头主要用于管理或控制簇内成员节点、负责簇内信息的收集、完成数据聚集与转发，其功能实现建立在分簇和簇头选择算法上一旦分簇完毕并选择好簇头，通过加密和密钥管理即可进行可靠的信息传递，保证簇内的通信安全。其簇头的能量消耗速率自然会远远高于簇内其他节点。

当节点以簇的形式自组成网时，极大扩展了网络节点的规模和监测范围。每个簇按照一种准则选择合适的节点担任簇头，当簇头剩余能量过低或节点俘获时将如何重新选择簇头，这是一个关键性的问题。LEACH(Low2Energy Adaptive ClusteringHierarchy)协议是无线传感器网络层次型自适应成簇路由协议。它将传感器网络节点划分成“簇”，并引入了“轮”的概念，各节点独立地按照概率随机决定自己是否做“簇头”，通过周期性的簇头选举和网络重组过程，避免了簇头节点能耗过大，平衡了网络负载，大大节约了通信过程中的能量消耗。但LEACH协议存在簇头节点个数和位置分布不稳定的现象。故在本发明中使用设置了能量阈值的免疫算法。

免疫算法是由生物免疫理论启发的人工免疫系统，是继神经网路和遗传进化计算之后，计算智能领域中的又一个研究热点。免疫算法是基于免疫系统的学习算法，是人工免疫系统研究的主要内容之一。它具有良好的系统应答性和自主性，对干扰具有较强维持系统自平衡的能力。此外，免疫算法还模拟了免疫系统独有的学习、记忆、具有较强模式分类能力。针对无线传感网节点以能量有效的方式收集相关性数据的特点，提出一种基于免疫算法的分簇算法.利用免疫算法的寻优能力对整个网络进行全局优化，并根据节点数据传输和融合能量开销及节能增益，对簇头节点进行数据融合等预处理，以提高信息收集过程中网络能量效率.该算法具有更好的能量利用效率和较低延时。

免疫算法是在遗传算法基础之上发展起来的一种全局优化算法，大多遗传算法能够解决的问题，免疫算法都能够有效解决且效率要比遗传算法好.作者提出了一种基于免疫算法的分簇算法，利用免疫算法良好的寻优能力求解无线传感器网络访问所有节点完成数据收集而总能耗最小的簇头选择路方案，最终实现了减少无线传感器网络的能量消耗、减少网络系统时延的目的。

发明内容

技术问题：本发明的目的是在移动无线传感器网络中合理划分簇和实现基于免疫算法的簇头选择算法，采用的不平均的分簇方法解决了传统平均分簇所带来的能量不能合理利用及信息的不完整性的问题。免疫算法的簇头选择使簇头自身优越性最佳，根据一定的标准节点轮流担当簇头来均衡能耗，避免个别节点因长期担任簇头能耗过大导致网络盲区，时刻保持簇的信息安全。密钥管理加之与免疫算法解决簇头的安全性和簇头的动态选举，提高网络的自适应能力。

技术方案：本发明采用不平均的簇的划分方法，使整个网络采集信息更合理，采用免疫算法进行簇头节点的选择，加入了密钥管理以保证信息的安全性。簇头主要用于管理或控制簇内成员节点、负责簇内信息的收集、完成数据融合与转发，保证簇头动态的稳定性来保证信息可靠的传输。当簇头剩余能量过低或节点俘获时就触发簇头的重新选择。在无线传感器网络中相邻节点动态形成簇，以维持一个个簇的规模和功能。根据功率、剩余能量、邻节点个数、密钥数为标准来选择能量消耗低、剩余能量高、邻节点个数多、密钥数多簇头。

基于免疫算法的移动传感网分簇方法包括：

第一阶段，簇的建立

步骤11)确定中心点：选举汇聚节点为无线传感网划分簇的中心点，在一个网络中汇聚节点通常情况下不会改变；以汇聚节点为中心，向四周分簇，直到将整个网络划分完为止；