[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

说明书

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络的路由方法，主要用于解决无线传感器网络中数据传输的能量效率、网络负载、网络生存时间的问题，属于无线传感器网络和人工智能的交叉技术应用领域。

背景技术

无线传感器网络是由一组具有感知、处理和无线通信能力的传感器节点通过自组织方式形成的无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。无线传感器网络通过节点的协同工作来采集和处理网络覆盖区域中的目标信息，它的建立和节点间通信不依赖于固定的通信基础设施，传感器节点通过分布式网络协议来实现组网。无线传感器网络具有大规模、自组织性、动态性、以数据为中心等特点，在环境与军事监控、地震与气候预测、地下、深水以及外层空间探索等许多方面都具有广泛的应用前景。

无线传感器网络中每个节点能够通过拓扑控制机制和网络协议自动转发监测数据，但其电源能量、通信能力、计算能力和存储能力有限，所以，无线传感器网络路由设计的重要目标是降低节点能源损耗，延长网络生命周期。

协商是通过结构化地交换相关信息并改进有关共同观点或计划的过程，也即协商是协作双方为达成共识而减少不一致性或不确定性的过程。在无线传感器网络中，簇内节点和簇头节点之间利用协商机制进行数据传输，有利于抑制冗余数据的发送，确保有效的数据传输。

传统的无线传感器网络层次式路由协议在簇头节点和汇聚节点之间，往往采用单跳的通信方式，相距较远的簇头节点也必须直接和汇聚节点进行通信，极大地消耗了簇头节点的能量，降低了网络的生存时间，影响了网络规模的可扩展性。而簇头节点和汇聚节点间采用多跳路由方案，簇头节点将数据发往邻近的其他簇头节点而不是相距较远的汇聚节点，可以减少单个簇头节点的能量耗费，平衡无线传感器网络中各个簇头节点的能量负载，尤其是能避免某些簇头节点因为远距离传输数据至汇聚节点而导致过早死亡的情况。

传统网络的路由机制往往选择源节点到目的节点之间跳数最少的路径来传输数据，但在无线传感器网络中，如果频繁使用同一条路径传输数据，就会造成这条路径上的节点因能量消耗过快而过早失效，从而使整个网络分割成互不相连的孤立部分，缩短了整个网络的生存期。因此，Rahul C.Shah等人提出了一种能量多路径路由机制。该机制在源节点和目的节点之间建立多条路径，根据路径上节点的通信能量消耗以及节点的剩余能量情况，选择不同的路径，使得数据传输均衡消耗整个网络的能量，延长整个网络的生存期。

模拟退火算法（SA，Simulated Annealing）是一种通用概率演算法，用来求解一个命题的最优解。模拟退火算法由初始解和控制参数初值t开始，对当前解重复“产生新解→计算目标函数差→接受或舍弃”的迭代，并逐步衰减t值，算法终止时的当前解即为所求得的近似最优解。模拟退火算法作为局部搜索算法的扩展，求得的解与初始解状态无关；它具有渐进收敛性，已在理论上被证明是一种以概率1收敛于全局最优解的全局优化算法；它还具有并行性。因此，模拟退火算法可以在较短时间内求得更优近似解，而且允许任意选取初始路径和随机数序列，减少了算法求解路径的前期工作量。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于模拟退火的无线传感器网络层次式路由方法，该方法基于层次式的网络拓扑结构，用来解决无线传感器网络的数据传输耗费能量大等问题，从而提高能量效率、实现网络负载的平衡、延长网络生存期，适应无线传感器网络能量高效、可扩展性、鲁棒性、快速收敛性等要求。

技术方案：本发明所采用的基于模拟退火的无线传感器网络层次式路由方法为：首先将无线传感器网络划分层次，构建节点的层次式结构，然后再进行数据传输。在构建节点的层次式结构阶段，根据能量选举簇头节点和备份簇头节点。在数据传输阶段，综合运用协商机制、多跳的能量多路径路由机制和模拟退火算法。簇内节点运用协商机制将数据传送给簇头节点，簇头节点进行数据融合后，再将数据传送给汇聚节点，在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。

一、体系结构

本发明所述的无线传感器网络中，整个网络被划分为若干个区域，每个区域称为一个簇(cluster)；每个簇内包含若干个节点，称为簇内节点。此外，每个簇内都含有一个称为簇头节点的节点。

(1)簇内节点负责采集监测区域的数据，然后传输到簇头节点。簇内节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，并且能量很有限。