[發明專利]基于改進混沌遺傳算法的WSN多跳LEACH路由協議

在審

• 申請號: 202010869415.8
• 申請日: 2020-08-26
• 公開（公告）號: CN111970742A
• 公開（公告）日: 2020-11-20
• 發明（設計）人: 胡黃水;劉清雪;王出航;王宏志;姚美琴;王婷
• 申請（專利權）人: 吉林建筑科技學院
• 主分類號: H04W40/32
• 分類號: H04W40/32;H04W40/10;H04W40/02;H04W4/38;H04W84/18;H04L12/721;G06N3/12
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本發明涉及一種無線傳感器網絡（WSN）路由協議，特別是基于改進混沌遺傳算法的WSN多跳LEACH路由協議ICGA?LEACH（an improved multi?hop LEACH protocol based on chaotic genetic algorithm for wireless sensor networks），ICGA?LEACH考量節點剩余能量、節點剩余能量與負載比和節點中心度來定義簇頭選舉閾值函數，使位于簇中心、負載較小且能量多的節點成為簇頭的概率大，從而形成均勻分布的簇，降低簇內通信能耗。為了降低簇間通信能耗，采用混沌遺傳算法來尋找全局最優的多跳路由路徑。此外，采用自適應的輪周期來進行簇維護，減少大量頻繁成簇產生的控制報文，進一步降低了網絡能耗。因此，ICGA?LEACH在均衡網絡負載的同時提高了網絡能量效率，有效延長了網絡生命周期。

技術領域

本發明涉及一種無線傳感器網絡(WSN)路由協議，特別是基于改進混沌遺傳算法的WSN多跳LEACH路由協議ICGA-LEACH(an improved multi-hop LEACH protocol basedon chaotic genetic algorithm for wireless sensor networks)，ICGA-LEACH通過一個類LEACH的改進概率函數選擇簇頭(CH)，然后用混沌遺傳算法根據構造的適應度函數尋找最優簇頭和最優路徑。此外，為了進一步降低網絡能量消耗和延長網絡壽命，考量能量和負載平衡來自適應計算輪時間。

背景技術

無線傳感器網絡(WSN)作為物聯網中最重要、最基本的信息采集技術之一，其被廣泛用于通過內置傳感器的節點來測量周圍環境中的熱、紅外、聲納和地震信號。由于WSN節點的能量受限，如何節約能量以延長網絡壽命是WSN面臨的最重要挑戰。將節點分成不同的簇以最大限度地延長WSN的使用壽命被證明是節能和可擴展的。在簇中，通過運行一定的方法選擇一個節點作為CH，然后CH融合各成員節點(CM)收集的數據，并以單跳或多跳模式將其發送到基站(BS)。在過去的幾十年里，人們在提高成簇方法的性能方面做出了很大的努力，并取得了預期的結果。低能量自適應分簇路由協議(LEACH)是WSN分簇路由協議的先驅，它包含簇頭選擇、成簇、調度表創建、數據傳輸和重新成簇五個過程。LEACH算法具有簡單、分布、負載較均衡、擴展性好等優點，但其基于概率隨機選舉簇頭、成員僅根據接收信號強度大小加入簇以及忽略簇頭節點剩余能量、單跳等將導致LEACH簇頭、能耗、負載分布不均，從而減小網絡的的生命周期。因此，很多算法對其五個過程中的一或多方面進行了不同的改進，以提高LEACH性能。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是針對LEACH隨機簇頭選舉、單跳通信以及忽略簇頭節點剩余能量、固定輪周期導致分簇不均勻以及能耗高問題，本發明從三個方面對LEACH進行了改進：簇頭選擇、數據轉發和簇維護。對于簇頭選擇，采用一個改進的閾值函數來計算閾值從而選擇合適的簇頭。在數據轉發方面，采用混沌遺傳算法來尋找全局最優的多跳路由路徑，并針對所選的CH選出了CM。對于簇維護，考慮能量和負載平衡，自適應地調整輪周期。

本發明基于改進混沌遺傳算法的WSN多跳LEACH路由協議ICGA-LEACH由四部分構成，即系統模型、簇頭選舉、尋找路徑和簇維護。系統模型為協議實現提供模型，具體包括網絡模型和能量模型。簇頭選舉是基于LEACH改進的閾值函數來選舉簇頭，考量了節點剩余能量、節點剩余能量與負載比和節點中心度，從而使位于簇中心、負載較小且能量多的節點成為簇頭的概率大。尋找路徑是使用混沌遺傳算法來尋找全局最優的多跳路由路徑。簇維護考量能量和負載平衡來自適應計算輪周期。