[发明专利]基于K-means聚类和蚁群算法的多级异构无线传感器网络分簇路由方法

说明书

本发明公开了提出的一种基于K‑means聚类和蚁群算法（ant colony optimization,ACO）的分簇路由协议（K‑means clustering and ACO optimal routing，即KCAOR协议）。在多级异构无线传感器网络环境下，首先由最优簇首个数公式确定监测区域内的最佳簇域数量，然后采用K‑means聚类方法将网络中的节点自然聚集成相应的簇域；提出簇域均匀优化策略，实现网络能耗的均匀分布，再根据簇内节点的剩余能量值选举簇首；采用蚁群算法确定簇首与基站之间的多跳最优路由，均衡簇首之间的能量消耗；在数据传输的末轮，通过增加节点状态包，基站能够实时掌握网络的运行情况，实现协议的优化。本发明能够有效均衡网络的能量消耗，延长生存时间，提高无线传感器网络的性能。

技术领域

本发明涉及网络路由协议，具体涉及多级异构环境下的无线传感器网络分簇路由方法。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSNs)由大量随机分布在监测区域内的传感器节点和基站组成，已广泛应用于国防安全、工业控制、环境监测、抢险救灾和科学探索等方面，根据节点不同的感测能力、通信能力、计算能力和初始能量，可以分为异构网络和同构网络两种，异构网络由多种不同性能的节点组成；同构网络则由相同性能的节点组成。传感器节点通常采用电池供电且大多工作在环境恶劣或者人类不容易到达的地方，因此无线传感器网络协议的首要目的是提高能量的利用效率。近年来，在研究人员提出的大量新型路由协议中，层次型路由协议被公认为最适合于实际无线传感网的应用。其基本思想是先将网络划分成多个簇域，每个簇域通常由一个簇首和若干成员节点组成，成员节点负责采集数据并发送给簇首，簇首融合数据再发送到基站。

LEACH协议是一种低能耗自适应分簇路由协议。在该协议中，先以循环的方式随机选择簇首节点，每个传感器节点再根据接收到的簇首信号强度，加入到信号最强的簇域；每个簇由簇首节点负责收集所有成员节点的信息并做出相应的处理，并由簇首负责协调成员节点之间的工作。LEACH协议通过轮换簇首的方式使整个网络的能耗平均分配到每个传感器节点上，达到延长网络生存时间的目的，但该协议主要针对同构网络，当运行到异构网络中时，因传感器节点性能存在差异而导致协议的性能大大降低。

SEP协议根据初始能量将网络中的无线传感器节点分为两类，高级节点和普通节点，高级节点的初始能量高于普通节点，并将节点的剩余能量和加权选择概率作为簇首选举的依据。

DEEC协议是一种适合多级异构网络的分布式能量有效成簇协议。该协议充分考虑了多级异构网络环境下，各个节点能量之间的差异性，通过所有节点轮流成为簇首达到均匀消耗能量的目的,而选举簇首节点的概率与节点当前剩余的能量直接相关。每个节点成为簇首节点的轮数根据其初始能量和剩余能量的差别而不相同，即簇首轮转周期适应节点的能量变化。具有较高初始能量和剩余能量的节点比低能量节点有更多的机会成为簇首节点。DEEC协议通过采用这种考虑异构节点配置的成簇算法来延长网络的生存时间，特别是网络的稳定周期。

现有协议存在的问题：

1)在成簇过程中通常采用先预测节点能量使用情况来计算节点的概率门限值与节点自身产生的随机数进行比较来确定簇首及建立簇域。通过随机数与预测能量来选取簇首和建立簇域的方式存在大量不确定的因素，从而导致簇首数量不稳定和簇域分布不均匀，使网络能耗较大，降低了网络的能量利用效率和生存时间。

2)簇首与基站通信时使用单跳的方式，会使离基站较远的簇首能量消耗过快；有些协议采用了多跳方式，但由于路由选择不恰当，限制了其降低能耗的效果。

发明内容

针对现有协议存在的问题，本发明提供一种基于K-means聚类和蚁群算法(antcolony optimization,ACO)的多级异构无线传感器网络分簇路由方法(K-meansclustering and ACO optimal routing，即KCAOR协议)。