[發明專利]基于擾動粒子群優化的SDWSN能耗均衡路由方法

有效

• 申請號: 201810022286.1
• 申請日: 2018-01-10
• 公開（公告）號: CN108566663B
• 公開（公告）日: 2021-06-15
• 發明（設計）人: 胡敏;汪騰飛;黃宏程
• 申請（專利權）人: 重慶郵電大學
• 主分類號: H04W40/08
• 分類號: H04W40/08;H04W40/10
• 代理公司: 北京同恒源知識產權代理有限公司 11275
• 代理人: 趙榮之

本發明涉及基于擾動粒子群優化的SDWSN能耗均衡路由算法，屬于無線傳感器網絡領域。該算法首先通過考慮節點的剩余能量、位置和能量均衡信息，利用改進的擾動粒子群優化算法選擇簇頭，并依據節點距基站距離、節點剩余能量和鄰居節點個數將整個網絡動態劃分為大小不等的簇。其次，采用每周期一輪全局分簇和k輪局部簇頭更新方式來節省分簇時的能量消耗。最后，在多跳路由建立時，傳感器控制服務器采用集中式方式根據鏈路能耗、節點剩余能量和簇內節點數等因素構建最短路由樹。本發明能有效節約能量和均衡網絡能耗、延長網絡的生命周期。

技術領域

本發明屬于無線傳感器網絡中的路由協議領域，涉及基于擾動粒子群優化的SDWSN能耗均衡路由算法。

背景技術

傳統的無線傳感器網絡(WSN，wireless sensornetworks)大多專用于單個感測任務的場景，這種特定于應用的WSN在網絡部署后，其節點行為和由這些節點所提供的網絡功能難以發生改變，導致網絡資源利用率低、策略更改困難和網絡難于管理等問題。軟件定義網絡(SDN，software-definednetwork)是一種新型的網絡架構，它將傳統的網絡架構解耦成應用、控制、基礎設施三層分離架構，從而帶來網絡應用可編程、集中式控制、網絡設備開銷少等好處。SDN在WSN中的應用產生了軟件定義無線傳感器網絡(SDWSN，software-defined wireless sensornetworks)，SDWSN由軟件定義傳感器節點組成，可根據實時感測請求按需加載不同的程序，動態地重新配置其功能和屬性。SDWSN利用了SDN的優點，有機的整合了網內節點的分布式管理機制，實現全網統一的網絡管理控制，從而提高WSN的能量利用效率，可有效解決上述問題。

Luo等人第一次將SDN與WSN結合來解決無線傳感器網絡中的一些固有問題。Gante等人提出了一種基于基站的集中式控制平面的智能無線傳感器網絡，可實現簡單的重配置，以解決傳統傳感器網絡中的資源管理問題。但缺少具體的通信策略、造成基站的成本上升。Huang 等人提出了一種SDWSN原型，以提高環境監控WSN的適應性和能量效率。在SDWSN中，能量高效的路由算法是研究的熱點。LiM等人提出了用于軟件定義傳感器網絡(SDSN)的聯合路由和資源控制(JRRC)協議，考慮SDSN中路由協議在動態環境的自適應性重新排列路由并實時為新應用和網絡服務分配資源以最大化系統吞吐量。Han和Ren提出了一種基于SDN的分簇路由協議，主節點作為整個網絡的控制器可以對轉發節點進行控制，當轉發節點出現能量耗盡、故障等狀況時，簇頭可以隨時調整轉發策略，改變轉發路徑。

在WSN中，LEACH是經典的分簇路由協議，根據一定的概率隨機選取節點作為簇頭節點，通過簇頭的輪換來均衡網絡能耗。然而簇頭選擇的隨機性會導致能量過低的節點也可能被選為簇頭。HEED依據節點的剩余能量來隨機選取一部分候選簇頭，然后根據簇內能量消耗代價競爭產生最終簇頭使選出的簇頭更均勻能量較高。但單跳通信方式導致其用在大規模監控區域時能耗過高。采用多跳方式的均勻分簇網絡中，靠近基站的簇頭會由于較多的參與數據轉發而使其能量快速耗盡。EEUC采用非均勻分簇的方法使得靠近基站的簇擁有較少的成員節點，從而可以節省能量供簇間數據轉發使用，均衡了簇頭能耗。DEBUC利用節點剩余能量構造的計時廣播機制代替EEUC中的競爭機制，節省了簇頭競爭時所消耗的能量。但簇頭選擇采用概率和門限值會導致能量較小節點的無效競爭，且能夠繼續工作的簇頭還需重新分簇造成能量浪費。IPSOCH利用中繼節點分擔簇頭能耗，考慮節點剩余能量和距離信息利用改進的粒子群優化算法選擇簇頭和中繼節點，有效的提高了能量使用效率。然而，在SDWSN的范例中，路由功能在邏輯上集中在控制器上。傳統的WSN路由協議采用分布式算法在節點上運行，分簇和路由選擇過程需要進行大量的信息交換，增加了網絡負擔，消耗大量能量，而基于軟件定義的WSN中的路由協議如NWPSO-based、SDUCR其簇頭能量消耗不均衡，導致能量利用率低、網絡生存時間短等問題。

發明內容