[發明專利]一種基于最小能耗的無線傳感器網絡分簇路由方法

有效

• 申請號: 201910341983.8
• 申請日: 2019-04-26
• 公開（公告）號: CN110062432B
• 公開（公告）日: 2021-11-23
• 發明（設計）人: 王出航;陳思;趙東;狄婧;肖明堯;鄭義
• 申請（專利權）人: 長春師范大學
• 主分類號: H04W40/08
• 分類號: H04W40/08;H04W40/10;H04W40/32;H04L12/733
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1.一種基于最小能耗的無線傳感器網絡分簇路由方法，其特征在于：本發明方法是以每環間能耗最小為原則，計算出每個圓環中的最佳簇首數目；在成簇階段運用模糊控制的方法對每個簇進行簇首的選舉，將節點的位置信息以及節點的剩余能量信息作為模糊控制器的輸入，節點的成簇概率為模糊控制器的輸出，最后成簇概率大的節點成為簇首；在路由傳輸階段，采用等距離的多跳傳輸方式，通過公式計算每環內節點的多跳可能，然后計算每種傳輸方式的下一跳位置，并根據下一跳環中的簇首節點的個數、剩余能量、跳距以及跳數計算每條路徑的傳輸權重函數，最后選擇權重函數小的路徑方式進行傳輸；

所述的計算每環中的最佳簇首數目，是根據每環中節點數目的不同，組成不同規模的簇，通過環間能耗最小的原則，計算最佳簇數；網絡中每個簇的能量消耗可以分為兩部分：簇首消耗能量以及節點消耗能量，假設第 i 環最佳簇數用表示m_i,第i環簇首消耗的能量：

其中，N_i為第i環中節點個數，l表示數據大小，E_rx和E_tx分別表示節點接收和發送數據所消耗的能量，E_DA表示融合1單位數據的數據所消耗的能量；

第i環每個節點消耗的能量：E_chi-node=lE_tx

一個簇消耗的能量總和：

則第i環消耗的能量：

其中，r為環寬，令可求得最佳簇數為：

其中，為自由空間傳輸損耗，E_elec為收發電路的功耗系數，E[d²_chi-ch(i-1)]是第i環簇首到第i-1環簇首距離平方的期望；

所述的采用模糊控制的方法選擇每個簇的簇首；首先，將網絡中的每個節點信息作為模糊控制器的輸入，包括節點的位置信息以及節點自身的剩余能量，進入模糊控制器后，通過模糊語言及相應的隸屬函數對輸入的消息進行模糊化，其中，節點位置的模糊變量為“很近(NB)、 近(NM)、較近(NS)、中(M)、較遠(PS)、遠(PM)、很遠(PB)”，節點的剩余能量模糊語言變量為“很高(PB)、高(PM)、較高(PS)、中(M)、較低(NS)、低(NM)、很低(NB)”；然后根據設定 if-then模糊控制規則對模糊化的數據進行推理后，得到模糊控制器的輸出，但此時輸出的是模糊語言變量，其中，節點成為簇首的概率“很低(NB)、低(NM)、較低(NS)、中(M)、較高(PS)、高(PM)、很高(PB)”需要經過質心法解模糊，輸出的結果為節點成為簇首的概率;

所述的路由傳輸階段，是在每環簇建立完成，簇成員開始進行數據傳輸，簇頭選擇多跳的傳輸方式進行傳輸，由于采用多跳方式進行傳輸，所以有多種傳輸方式，以環i為例進行，第i環內簇首傳輸的所有可能方式可通過下式計算：

用H(k)表示簇首在每種情況下的多跳數，則每種情況下的多跳數可通過下式計算得到：

采用不同的傳輸方法，第i環簇首的下一跳所在環數可以由下式算出：

所述的權重函數是在計算完節點的所有傳輸可能后，綜合考慮下一跳所在環內簇首的數目、剩余能量以及跳距，可通過下面的公式計算：

其中：CURRENT_CYCLES為第i環簇首所在環數，c₁、c₂、c₃、c₄為節點數、剩余能量、跳距以及跳數的加權因子加權因子，r為當前傳輸進行輪數，N_res為下一跳所在環的第r_i輪存活節點數，N_int為下一跳節點所在環的初始節點數，d_hop為簇首節點下一跳傳輸的距離，d_max為網絡中節點距SINK節點的最遠距離，E_int為節點的初始能量，E_res為節點的剩余能量， H( k )為節點到 SINK 節點的跳數，E_id為每個節點的固定消耗；

傳輸過程的具體方法流程如下：

1)分簇完成后，各簇首節點根據公式計算該節點向匯聚節點傳輸數據時的跳數，以及下一跳節點所在的環數；

2)當簇首節點要向匯聚節點發送信息時，根據 1)中計算的結果，找到它的所有情況下的下一跳的簇首節點，并向其他節點廣播 EDGE_HEADNDE_MSG 信息；

3)當下一跳簇首節點接收到 EDGE_HEADNDE_MSG 消息后，將自身位置以及剩余能量向下一跳簇首節點廣播 NEXT_HEADNODE_MSG 消息；

4)下一跳簇首節點根據接收到的NEXT_HEADNODE_MSG消息，根據權重函數公式計算該條路徑的權重函數，并與其他路徑的權重函數相比較，選擇權重函數最小的路徑進行數據的傳輸；

5)在計算下一跳時，重復 2)3)4)步，直至下一跳節點是匯聚節點為止。