[發明專利]基于混沌遺傳算法的無線傳感器網絡負載均衡路由協議

在審

• 申請號: 202010874171.2
• 申請日: 2020-08-26
• 公開（公告）號: CN111970743A
• 公開（公告）日: 2020-11-20
• 發明（設計）人: 胡黃水;王宏志;王出航;姚美琴;劉清雪;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;H04W40/24;H04W40/02;H04L12/721;G06N3/12
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本發明涉及一種無線傳感器網絡分簇路由協議，特別是一種基于混沌遺傳算法的無線傳感器網絡負載均衡路由協議CRCGA（Energy?efficient and load?balanced clustering routing protocol for wireless sensor networks using a chaotic genetic algorithm），使用混沌遺傳算法來同時選擇最佳簇頭和尋找最優路徑，并將它們編碼到單個染色體中。適應度函數構建時考量了能量消耗最小化和負載均衡，并引入新的終止判定條件，使算法快速收斂。此外，采用考量能量和負載均衡的自適應輪周期來維護簇，并相應地更新路由路徑，降低網絡能耗，延長網絡生命周期。

技術領域

本發明涉及一種無線傳感器網絡分簇路由協議，特別是一種基于混沌遺傳算法的無線傳感器網絡負載均衡路由協議CRCGA(Energy-efficient and load-balancedclustering routing protocol forwireless sensor networks using a chaoticgenetic algorithm)，該協議使用混沌遺傳算法來同時選擇最佳簇頭和尋找最優路徑，并將它們編碼到單個染色體中。適應度函數構建時考量了能量消耗最小化和負載均衡，并引入新的終止判定條件，使算法快速收斂。此外，采用考量能量和負載均衡的自適應輪周期來維護簇，并相應地更新路由路徑，從而進一步降低網絡能耗，延長網絡生命周期。

背景技術

隨著信息技術的飛速發展，無線傳感器網絡不僅在軍事、防災、空間探測等領域，而且在環境監測、智能交通、智能家居等領域得到了廣泛的應用。由于節點能量有限，節能一直都是無線傳感器網絡最重要的研究內容。成簇路由已經被證明是一種高效、可擴展的節能方法，該方法通過將節點分組來構造簇，并選擇簇頭(ClusterHead，CH)來管理簇。成簇路由方法通常包含三個主要階段，即成簇、路由、簇維護。為減少能耗，通過選擇適當的中繼節點與基站(BaseStation，BS)多跳通信逐漸成為路由的通用方式。但分簇路由作為一個NP難問題，傳統的基于概率和權重的分簇路由無法找到最優解。因此，基于啟發式的方法被用來獲得近似解。啟發式算法作為一種重要的優化方法，可以通過局部搜索或全局搜索找到合適的分簇路由結果。因此，模糊邏輯推理、粒子群優化算法、遺傳算法被用于分簇路由。但現有方法很少考慮網絡能耗最小化，且通常忽略網絡負載均衡，降低了網絡的整體性能，縮短了網絡生命周期。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是同時提高網絡的能量效率和負載均衡，采用一種改進的混沌遺傳算法來同時尋找最優的CH和路由路徑。采用實數編碼代替二進制編碼來表示染色體，構建新的適應度函數來確定染色體的質量，通過遺傳算子產生新的染色體，并迭代直到滿足終止條件，從而找到最優的CH形成簇，并找到傳輸數據的最佳路由路徑。此外，采用自適應的輪周期來重新成簇，并相應地更新路由路徑，減少因頻繁成簇產生大量控制報文而消耗的能量，延長網絡生命周期。

本發明基于混沌遺傳算法的無線傳感器網絡負載均衡路由協議CRCGA由四部分構成，即系統模型、分簇路由和簇維護。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，分簇路由為利用混沌遺傳算法進行選擇、交叉和變異來同時找到最優的CH和路由路徑，避免局部最優，提高收斂速度。簇維護考量能量和負載平衡來計算輪周期，避免頻繁成簇，進一步降低網絡能耗。

所述的系統模型由網絡模型和能量模型構成，其中網絡模型具有以下屬性：部署后，包括BS在內的所有節點均不可移動。所有節點具有相同的感知、處理、存儲、通信和初始能量。BS在能量、處理、通信等方面具有無限的能力，可以與網絡中的所有節點進行通信。兩個節點之間的無線鏈路是對稱的，因此對于兩個節點之間相同數量的數據傳輸，能耗是相同的。兩個節點之間的距離可以通過接收的信號強度獲得。其中能量模型采用一階無線電模型，來計算網絡中任意兩個節點間發送或接受數據的能耗，以及簇頭融合數據消耗的能量。