[发明专利]基于非均匀分簇的移动协助无线传感器网络路由方法

摘要

本发明给出基于非均匀分簇的移动协助无线传感器网络路由方法。方法分为：初始阶段、分簇阶段、RPs(rendezvous points)确定阶段、路由阶段。初始阶段为网络部署阶段，并确定sink的移动轨迹。分簇阶段时，考虑节点与移动sink的距离梯度、候选簇头的剩余能量等因子。RP确定阶段，讨论了RPs节点集合的选取个数和宽度、具体的集合等。并针对簇头节点从属RP节点选取问题，简化为0‑1整数规划模型。方法采用遗传算法求出该整数规划解的近似最优RPs的从属节点集合。在路由阶段时，采用多层级的路由：簇头采集簇内成员的消息数据(包括数据融合)并担任中继节点的任务，RPs节点缓存簇头节点转发来的消息到移动sink。

主权项

1.基于非均匀分簇的移动协助无线传感器网络路由方法，其特征在于，采用移动协助和非均匀分簇相结合的方法；所述方法包括四个阶段：初始阶段、分簇阶段、RPs(rendezvous points)确定阶段、路由阶段；在初始化阶段时，考虑应用程序时延和网络的总能量消耗，来计算移动sink的轨迹；首先进行网络的部署，在完成网络部署后，根据公式(1)和公式(2)计算sink的运动半径：2πR_S≤VD_r     (2)公式(1)中，R表示网络半径；R_S表示sink的运动半径；公式(2)中V表示sink的运动速度；D_r表示应用程序要求时延；分簇阶段时，考虑距离梯度、剩余能量等因子计算簇头的竞选半径；首先在网络中通过预先设定的阈值选取一批随机节点作为候选簇头；在此基础上，计算各候选簇头节点的距离梯度和剩余能量因子，根据距离梯度和剩余能量因子计算出候选簇头的竞争半径；并按剩余能量大的候选节点优先广播，普通节点选择最近的簇加入完成分簇过程；RPs确定阶段，根据公式(8)、(9)分别确定RPs节点集合的宽度范围和个数，根据公式(10)‑公式(14)建立的0‑1整数规划模型求解最优的RP从属簇头节点集合问题；最后使用遗传算法求解该0‑1整数规划问题，具体包括：RPs集合的确定：RPs节点集合的选取个数和宽度、具体的集合的确定；①RPs节点集合的最大宽度为：公式(8)中r表示sink的通信半径；maxd_RPs表示RPs节点集合的最大宽度；②RPs集合的个数至少为公式(9)才能使网络的性能更优：公式(9)中k_min表示RPs集合的个数的最小值；λ表示sink的消息产生率；c表示sink的存储容量；D表示sink运动一周的时间间隔；n_m表示不在sink单跳通信范围内的簇头节点；E_{i_cp}(n)表示i簇头内节点的总数；簇头节点从属RP节点选取：将该问题转化为最小化网络总能量消耗和问题，并在此基础上建立0‑1整数规划模型，并使用遗传算法来求解该模型的近似最优解；③簇头节点所属的RP节点选取问题，建立的0‑1整数规划模型为(10)‑(14):s.t.公式(10)目标函数表示的是簇头节点的消息传递到RPs的跳数和最小，也即RPs节点接收簇头消耗的能量和最小；其中w_i为每个簇头节点i传递的消息数据量权值；公式(11)表示的是每一个子RPs节点i仅为一个RP节点的从属节点；公式(12)表示的是每一个RPs节点i的子RPs节点个数多于1；公式(13)表示的是每一个RP节点接收数据消息消耗的总能量的α倍不大于其剩余能量；公式(14)表示单个候选RP节点接收的数据量β倍不超过其存储容量；α，β是数据融合对数据量大小的影响因子；公式(14)给出了每个簇头i传递消息数据量权值；公式(10)中a_ij表示簇头i是否将消息数据最终传递给RP节点j；h_ij表示簇头i将消息传递到RP节点j经过的跳数；n_cp是指簇头的个数；公式(13)中E₀表示每个节点的初始能量；E_{r_j}表示节点j的剩余能量；④使用遗传算法求解该0‑1整数规划模型；依次执行过程如下：(1)确定使用二进制进行编码；(2)随机产生一个初始群体，确保每个个体都满足约束条件公式(11)‑公式(14)；(3)计算每个染色体的适应值，采用目标函数公式(15)作为适应值，并选择进行交叉和变异的父代染色体：公式(15)中表示表示种群l的适应度函数；表示在种群l中节点i是否将消息传给j簇头；(4)对选出的染色体进行行级交叉及变异操作；(5)重复(3)、(4)直至满足终止条件；路由阶段时，采用多层路由，簇头收集簇内节点数据转发给RPs节点，RPs接收簇头的转发数据进行缓存，最后将该数据提交给移动sink。