[发明专利]一种基于和声搜索算法的无线传感器网络分簇路由方法

摘要

本发明公开了一种基于和声搜索算法的无线传感器网络分簇路由方法，包括(1)全局信息的传递和汇聚，获得全局信息，并将其传递到汇聚节点；(2)汇聚节点通过全局信息对整个传感器网络进行网络分簇路由的优化计算与配置；(3)普通传感器节点监测采集和处理应用信息，将其处理成数据包，转发到簇头节点，簇头节点进行数据融合，并向下一跳簇头节点发送数据包；(4)下一跳簇头节点接收到数据包后，将自身剩余能量信息加入到数据包中，并按照数据包中的最优路由，继续向下一跳簇头节点转发数据包。本发明的方法解决了无线传感器网络成员节点分配不合理簇头节点能耗不均匀等问题，提高了网络能效，延长了网络生命周期。

主权项

一种基于和声搜索算法的无线传感器网络分簇路由方法，包括如下步骤：(1)全局信息的传递和汇聚，具体为：普通传感器节点收到第一个簇头广播后进行延时，延时结束后普通传感器节点向初始化簇头发送自身所有邻居簇头信息和距离信息，簇头节点将普通传感器所发送的信息、自身条数信息和邻居簇头信息进行数据融合，获得全局信息，并将全局信息传递到汇聚节点；(2)汇聚节点通过所述全局信息，对整个传感器网络进行网络分簇路由的优化计算与配置，具体为：分簇优化计算，得到整个传感器网络的最优分簇方案；汇聚节点根据上述最优分簇方案向所有簇头节点发送分簇信息，簇头节点收到并保存分簇信息，并向对应的普通传感器节点发送请求加入簇信息，普通传感器节点收到请求加入簇信息后，保存该簇头信息，加入到分簇当中；所述分簇优化计算得到整个传感器网络的最优分簇方案具体为：基站根据适应度函数f，运用改进的和声搜索算法计算最优解，其中最优解即最优和声中的各音调代表各普通传感器节点所属簇的簇头节点，从而得到整个传感器网络的最优分簇方案；所述分簇优化计算中，改进的和声搜索算法具体为：(01)设置和声搜索算法参数，并对和声记忆库HM中的每个和声初始化；其中所述和声算法参数包括和声记忆库大小HMS，最大迭代次数itermax，最大选择概率HMCRmax和最小选择概率HMCRmin；HM＝[X1,X2,…,Xi,…,XHMS]T：HM为和声记忆库，Xi为第i个和声；(02)使用公式适应度函数f＝ω1f1+ω2f2，计算和声记忆库HM中所有和声的适应度，得到和声记忆库中每条和声的适应度F＝{fit1,fit2,…,fiti,…,fitHMS}；其中，fiti为第i个和声的适应度，ω1、ω2分别为f1和f2的权重系数；f1表示各簇头节点生命期的标准差：m为簇头节点数量，L(gi)表示簇头节点gi的生命期，μL为所有簇头节点生命期的均值，Er(gi)是簇头节点gi的剩余能量，Ec(gi)是簇头节点gi在单轮数据发送过程中消耗的能量，Ec(gi)＝ni×ERx+ni×EDA+ETx，ni表示簇头节点gi的成员节点数量，ERx表示簇头节点gi接收普通传感器节点数据消耗的能量，ERx(k)＝Eelec*k，k为接收数据量大小，EDA表示簇头节点gi融合各普通传感器节点发送来的数据所消耗的能量，ETx表示簇头节点发送数据到它的初始下一跳节点所消耗的能量，d为两个簇头节点之间的距离，d0为所述距离的门阀值，k为传输数据量大小，Eelec表示传感器节点中接收和传送电路工作时所消耗的能量，εfs和εmp分别为自由空间损耗模型和多径衰落信道模型中，传感器节点中传送放大器工作时所消耗的能量；f2表示所有普通传感器节点到其簇头节点距离的均值和方差：n为普通传感器节点的数量，D(si)表示普通传感器节点si到其簇头节点的距离，μD为普通传感器节点到其簇头节点距离的均值，(03)设置迭代次数iter＝1；(04)生成候选和声X'＝(x′1,x′2,…,x′i,…,x′n)；其中，n为和声的维度，其取值为普通传感器节点的数量；x′i为和声X'的第i个音调，其值为第i个传感器节点Si所加入的簇头节点的序号，其取值范围为{1，m}；(05)使用公式f＝ω1f1+ω2f2计算候选和声的适应度fit'；(06)将iter+1赋值给iter；(07)找到和声记忆库中适应度最差的和声Xmin，得到其适应度为fitmin，若fit'优于fitmin，则转步骤(08)，否则，转步骤(09)；(08)将和声记忆库中适应度最差的和声Xmin替代成候选合和声X'；(09)若iter不大于最大迭代次数itermax，则转步骤(010)，否则转步骤(016)；(010)找到和声记忆库中适应度最优的和声Xmax，对该和声进行邻域搜索，生成新和声X″＝(x″1,x″2,…,x″i,…,x″n)：(011)使用公式f＝ω1f1+ω2f2计算新和声X”的适应度fit”；(012)将iter+1赋值给iter；(013)若新和声X”适应度优于最优和声，则转步骤(014)；否则转步骤(015)；(014)将和声记忆库中的最优和声Xmax替换成新和声X”；(015)若iter不大于最大迭代次数itermax，则转步骤(04)，否则转步骤(016)；(016)选择和声记忆库中适应度最优的和声，作为当前最优分簇方案；路由计算，得到每个簇头节点的最优转发路径，从而获得所有簇头节点到汇聚节点的最优路由方案；汇聚节点使用上述最优路由方案向所有簇头节点发送最优转发路径信息，所有簇头节点收到最优转发路径后将其保存在路由表中；(3)普通传感器节点监测采集和处理应用信息，将其处理成数据包，并将自身的剩余能量信息加入数据包中，然后根据自身保存的簇头节点信息，将上述数据包转发到簇头节点，所述簇头节点进行数据融合，并将自身的剩余能量信息和自身最优路由加入到数据包中，根据路由表中保存的最优路由，向下一跳簇头节点发送数据包；(4)下一跳簇头节点接收到所述数据包后，将自身剩余能量信息加入到数据包中，并按照数据包中的最优路由，继续向下一跳簇头节点转发数据包，直到将数据包传送到汇聚节点为止。