[发明专利]一种基于模拟退火的无线传感器网络层次式路由方法

权利要求书

1.一种基于模拟退火的无线传感器网络层次式路由方法，其特征在于该方法所包含的步骤为：

第一阶段：构建节点的层次式结构

1)选举簇头节点：定义两个参数E_平均和E_剩余，分别表示整个网络的平均能量和节点的剩余能量，当E_剩余高于E_平均时，则该节点当选为簇头节点；否则，为普通节点，等待加入簇；

2)形成簇结构： 选定簇头节点后，每个簇头节点向整个网络广播当选簇头节点消息，其他节点根据一定的距离半径选择簇头节点，形成簇结构；

3)选举备份簇头节点：在每个簇内，以簇头节点为中心，在一个小于簇的半径的距离范围内选择一个能量最高的簇内节点作为备份簇头节点，备份簇头节点在正常情况下处于睡眠状态；

4)簇头节点的更新：为簇头节点能量定义一个门限值，当某个簇头节点的剩余能量低于此门限值时，该簇头节点失效；此时，将唤醒该簇内的备份簇头节点，代替原簇头节点成为新的簇头节点，并再次选举新的备份簇头节点；

第二阶段：数据传输

1)簇内节点到簇头节点的数据传输

①当一个簇内节点采集到新的数据时，就向簇头节点发送消息，告知已获取新数据；

②当簇头节点需要新数据时，就会向簇内节点发送请求消息；

③当簇内节点接收到请求消息时，再将新数据发送给簇头节点；

2)簇头节点到汇聚节点的数据传输

首先运用模拟退火算法搜索出最优传输路径，然后簇头节点沿着最优路径将数据传送给汇聚节点。

2.如权利要求1所述的基于模拟退火的无线传感器网络层次式路由方法，其特征在于形成簇结构时，对于落在多个簇范围内的节点，比较其所在簇的各个簇头节点的能量，选择其中能量最高的簇头节点所在的簇加入；对于没有落在任一簇范围内的节点，则根据就近原则选择与它距离最近的簇头节点所在的簇加入。

3.如权利要求1所述的基于模拟退火的无线传感器网络层次式路由方法，其特征在于簇内节点到簇头节点的数据传输阶段，簇内节点和簇头节点之间利用协商机制进行通信。

4.如权利要求1所述的基于模拟退火的无线传感器网络层次式路由方法，其特征在于簇头节点到汇聚节点的数据传输阶段，簇头节点和汇聚节点之间采用多跳的能量多路径路由机制，并利用模拟退火算法搜索出最优路径，然后将数据沿着最优路径从簇头节点传输到汇聚节点。

5.如权利要求1所述的基于模拟退火的无线传感器网络层次式路由方法，其特征在于所述的传输路径，其能量模型如下：每条路径的目标函数值根据路径上的节点数、每个节点的剩余能量、每个节点转发数据所消耗的能量来计算，即：

E=                                               －

＝－

 其中，表示一条路径上所有节点的剩余能量之和，表示一条路径上所有节点消耗的能量之和，表示一条路径上所有节点转发数据所消耗的能量之和。

6.如权利要求4所述的基于模拟退火的无线传感器网络层次式路由方法，其特征在于运用模拟退火算法搜索最优路径的步骤如下：

①随机产生一条初始路径作为初始解P₀，并令当前最优解P_(best)=P₀，计算P₀的目标函数值，其中目标函数值是根据E＝－来计算；

②设定初始温度T_o和每个T值的迭代次数k，外循环开始；其中T_o的设定采用如下方法：随机产生一组路径，确定两两路径的最大目标值差|Δmax|，然后依据差值，利用T_o=－Δmax / ln(p)来确定初始温度，p为初始接受概率；

③内循环开始：令当前解P_i=P_(best)，当前温度T_i=T_o；

④对P_i由状态产生函数，产生一新解P_j，并计算P_j的目标函数值；

⑤计算P_i和P_j的目标函数值差，记ΔE=E(P_j) －E(P_i)；

⑥若ΔE>0，则接受P_j，即当前解P_i=P_j；否则，以概率exp(－ΔE/ kt)来接受P_j；

⑦当迭代次数≥k时，内循环结束，当前温度T_i下降，此时判断外循环是否结束，未结束则跳至步骤③，开始新一轮的内循环，其中温度的下降采用如下方式：T(t)=T_i/ lg(1+t)，T_i表示某一高温状态，时刻t的温度用T(t)来表示；判断外循环结束采用的方法是：算法收敛到的最优解连续若干步保持不变；

⑧若满足外循环结束条件，则结束，得到近似最优解P_i，即为所要选择的最优路径。