[發明專利]一種無線傳感器網絡層次路由協議

在審

• 申請號: 202210593252.4
• 申請日: 2022-05-27
• 公開（公告）號: CN115086994A
• 公開（公告）日: 2022-09-20
• 發明（設計）人: 高洪元;陳世聰;王金哲;鄭雅晴;白浩川;狄妍岐;陳暄;杜子怡;辛政志
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工程大學
• 主分類號: H04W24/02
• 分類號: H04W24/02;H04W24/06;H04W40/32;H04W84/18
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種無線傳感器網絡層次路由協議，包括：建立無線傳感器網絡系統模型；設定網絡參數并初始化網絡狀態，網絡開始運行；建立當前無線傳感器網絡簇首配置成本函數；初始化量子鳳蛾群并設定參數；定義并計算量子鳳蛾所分泌的毒液量；根據量子鳳蛾所分泌毒液量對全部量子鳳蛾排序；量子鳳蛾依同等概率執行直線或環繞飛行運動，并在飛行過程中使用模擬量子旋轉門來演化量子鳳蛾的量子位置；應用貪心選擇策略，確定下一代量子鳳蛾的量子位置；演進終止判斷，輸出當前無線傳感器網絡簇首配置結果；當前無線傳感器網絡穩定數據傳輸；無線傳感器網絡運行終止判斷。本發明簡單、高效、低復雜度，能耗效率高且能最大化網絡壽命。

技術領域

本發明屬于無線通信技術領域，涉及一種無線傳感器網絡層次路由協議，特別是一種基于量子鳳蛾機制的無線傳感器網絡層次路由協議方法。

背景技術

無線傳感器網絡WSN位于物聯網感知層，是由部署在特定監測區域內眾多微型傳感器節點所構成的一種分布式多跳自組織無線通信網絡系統，是物聯網網絡底層的重要技術形式，已廣泛應用于科學、醫療、商業和國防等領域。大量節點、低可用數據速率以及各種受限資源限制了無線傳感器網絡中通用自組織Ad-Hoc路由協議的可用性。為最大程度延長網絡壽命并克服有限電池容量，無線傳感器網絡路由協議的設計更傾向于支持資源感知和自適應性。根據網絡架構，WSN路由協議可分為呈面狀的平面路由協議和呈簇狀的層次路由協議。

近年來，已有學者對無線傳感器網絡層次路由協議的設計作出了研究。Heinzelman(Heinzelman,Wendi Rabiner,Anantha Chandrakasan,and HariBalakrishnan.Energy-efficient communication protocol for wirelessmicrosensor networks.Proceedings of the33rd annual Hawaii internationalconference on system sciences.IEEE,2000.)等設計了低功耗自適應集群層次路由協議LEACH，LEACH是一種應用于雙層網絡架構、完全分布式、自組織和自適應的分簇路由協議，構成了當今各種無線傳感器網絡層次路由協議設計的基礎。LEACH規定網絡按設置與穩態階段交替周期運行方式，通過隨機輪換簇首及相應簇集群來均衡網絡能耗，通過局部數據融合技術來減少全局通信，通過本地協作來降低網絡帶寬，增加系統容量。由于LEACH采用完全隨機式簇首配置方式，所以LEACH在一定程度上存在著負載不均衡、能耗不均衡和可擴展性受限等問題。Heinzelman(Heinzelman,Wendi B,Anantha P.Chandrakasan,and HariBalakrishnan.An application-specific protocol architecture for wirelessmicrosensor networks.IEEE Transactions on wireless communications 1.4(2002):660-670.)等在設計集中式低功耗自適應集群層次路由協議LEACH-C的同時指出終端用戶更傾向于無線傳感器網絡上傳數據的更高級描述形式。LEACH-C規定在基站使用模擬退火算法集中式配置簇首，且簇首的選擇僅在能量充沛的節點中進行。上述協議先為網絡分布式或集中式配置簇首，再根據某種特定媒體介質訪問控制MAC協議來搭建簇，除此之外，還可先為網絡分布式或集中式搭建簇，再根據某種特定規則來分布式選舉簇首。張雅瓊(張雅瓊.基于K-Means的無線傳感網均勻分簇路由算法研究[J].控制工程,2015,22(06):1181-1185.)考慮均勻分簇設計了層次路由協議KUCR，KUCR首先在基站為網絡靜態集中式搭建簇，而后在本地動態分布式選舉簇首。雖然KUCR可以在一定程度上延長網絡壽命，但協議可擴展性受限、可實用性差，不適用于大規模網絡。董發志(董發志,丁洪偉,楊志軍,熊成彪,張穎婕.基于遺傳算法和模糊C均值聚類的WSN分簇路由算法[J].計算機應用,2019,39(08):2359-2365.)等考慮均勻分簇設計了層次路由協議GAFCMCR，GAFCMCR首先在基站使用遺傳算法優化后的模糊C均值聚類算法為網絡動態集中式搭建簇，而后在本地動態分布式選舉簇首。GAFCMCR以巨大計算量為代價來小幅度提升協議性能，同樣不適用于大規模網絡。已有文獻的檢索結果表明，現有的WSN層次路由協議存在著負載不均衡、能耗不均衡、計算復雜度高、可實用性差和可擴展性受限等問題，缺少一種簡單高效低復雜度，能耗效率高且能最大化網絡壽命的層次路由協議。