基于非均勻分簇的移動協(xié)助無線傳感器網(wǎng)絡路由方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡技術領域，具體涉及基于非均勻分簇的移動協(xié)助WSNs 路由方法。
【背景技術】
[0002] 無線傳感器網(wǎng)絡作為一門交叉學科，主要涉及無線電通信技術、傳感器技術、嵌入 式微處理器技術、信息安全技術等。近年來在多個領域內廣泛使用，包括軍事工業(yè)（如美 C4ISRT系統(tǒng)）、航空、商業(yè)、生物醫(yī)療、反恐防暴、環(huán)境保護等。但由于WSNs能量限制問題， 無線傳感器網(wǎng)絡受到限制和發(fā)展。如何減少能量消耗問題是目前WSNs中的研宄熱點。目 前在WSNs路由設計時，專家學者們不僅關注數(shù)據(jù)傳輸所帶來的能量消耗，而且關注WSNs中 各節(jié)點能量消耗的不均衡性。這是由于在WSNs中，當一定數(shù)目或比例的傳感器節(jié)點失效或 死亡時，出現(xiàn)能量空洞現(xiàn)象，從而使網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)無法正常發(fā)送給sink(基站），進而使網(wǎng)絡 處于癱瘓狀態(tài)。
[0003] 由Heinzelman W等人提出的LEACH協(xié)議是至今WSNs中引用率較高、較經(jīng)典的分 簇協(xié)議之一。LEACH協(xié)議是按輪成簇，在新的一輪重新進行簇頭選舉。通過設定一個閾值來 確保每一個節(jié)點均有成為簇頭的機會。簇頭選舉完成后，普通節(jié)點根據(jù)簇頭廣播時收到的 信號強度來判定加入最近的簇。成為簇頭的節(jié)點在路由階段，需要采集自身和簇頭成員的 數(shù)據(jù)，并將之發(fā)送給sink。LEACH的缺陷：在大規(guī)模的網(wǎng)絡中，遠離sink的簇直接與sink 通信，容易導致能量耗盡而失效。
[0004] DEBUC算法對LEACH算法改進了。該算法對LEACH簇頭選舉進行了改進，考慮了剩 余能量和與sink距離的影響。在簇間路由時設計了以簇頭間的剩余能量、簇內節(jié)點數(shù)目、 簇與sink的距離的為權值的函數(shù)，更好地平衡了簇頭節(jié)點之間的能量消耗。
[0005] 在對WSNs上述問題的研宄文獻中，專家學者采用分簇的路由機制來減少能量消 耗、均衡網(wǎng)絡開銷。大量的研宄表明，采用分簇路由機制有效地延遲了能量空洞現(xiàn)象的出 現(xiàn)，延長了網(wǎng)絡的生命周期，充分地利用了網(wǎng)絡的各節(jié)點能量。
[0006] 國內外一些專家學者也采用移動協(xié)助方式來減少節(jié)點的能量消耗。移動協(xié)助傳感 器網(wǎng)絡一般采用移動Sink策略來實現(xiàn)。在實時性要求比較高的網(wǎng)絡環(huán)境中，如戰(zhàn)場信息采 集，一般的靜止基站網(wǎng)絡無法較好地滿足該要求，容易造成數(shù)據(jù)無法及時送達。此時使用移 動的sink(如無人機搭載、士兵身上穿戴）匯集興趣信息較好地滿足了此類環(huán)境需求。移動 sink的引入，在整體上減少了節(jié)點數(shù)據(jù)的轉發(fā)跳數(shù)，減少了網(wǎng)絡的能量消耗，從而延長了網(wǎng) 絡的生命周期。
[0007] Ma M等提出的M-collector算法（為便于記憶）是一種基于多移動sink的算法。 該算法在設計單個M-collector時，將最大限度地減少M-collector路徑的長度的問題簡 化為一個混合整數(shù)規(guī)劃模型。針對單個M-collector無法遍歷整個網(wǎng)絡的情況時，該算法 采用多M-collector同時遍歷較短的子旅行路徑的策略來達到減少延遲的目的。
[0008] 該算法在設計單個M-collector移動策略時，假設M-collector只能在進入普通 節(jié)點通信范圍內時，才收集該節(jié)點的數(shù)據(jù)。從該假設可以看出，該M-collector也是采用單 跳收集數(shù)據(jù)。在通信半徑r與網(wǎng)絡半徑R比值r/R - 0時，等價于旅行商問題。該問題即 是減少M-collector的周游長度。然后該算法采用混合整數(shù)規(guī)劃來求解一條訪問節(jié)點的最 優(yōu)路徑。最后該算法提出使用多M-collector算法來解決應用程序時延問題，使用生成樹 覆蓋算法來劃分子網(wǎng)絡，每個子網(wǎng)絡中設計一個M-collector。
[0009] 在靜止的WSNs中，非均勻成簇能較好均衡網(wǎng)絡的能量消耗、延長網(wǎng)絡生命周期。 但當節(jié)點數(shù)據(jù)的轉發(fā)跳數(shù)太多時，WSNs的能量消耗將會增加，造成網(wǎng)絡性能下降。采用移動 協(xié)助策略，能減少節(jié)點數(shù)據(jù)的轉發(fā)跳數(shù)，但較大的時延使消息數(shù)據(jù)無法及時地傳遞給sink。
[0010] 基于此，本方法采用移動sink和非均勻分簇的策略來設計路由算法。本方法采用 移動協(xié)助策略，使用移動sink來減少節(jié)點消息數(shù)據(jù)的轉發(fā)跳數(shù)。并在該思想上引入了 RPs 節(jié)點，使用RPs節(jié)點對接收到的消息數(shù)據(jù)進行緩存，以此來滿足應用程序時延。利用非均勻 分簇思想來均衡各節(jié)點的能量消耗。本文算法在滿足應用程序時延的前提下，最大化地降 低了網(wǎng)絡的能量消耗，同時均衡了網(wǎng)絡中各節(jié)點的能量銷耗，從而延長了網(wǎng)絡的生命周期。
【發(fā)明內容】
[0011] 本發(fā)明提出了采用移動sink和非均勻分簇的策略來設計路由方法。本方法使用 移動sink來減少節(jié)點消息數(shù)據(jù)的轉發(fā)跳數(shù)。并在該思想上引入了 RPs節(jié)點，使用RPs節(jié)點 對接收到的消息數(shù)據(jù)進行緩存，以此來滿足應用程序時延。利用非均勻分簇思想來均衡各 節(jié)點的能量消耗。從而在滿足應用程序時延的前提下有效地提高了網(wǎng)絡的生命周期。
[0012] 為了實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提出的技術方案：非均勻分簇的移動協(xié)助WSNs路由方 法，包括初始階段、分簇階段、RPs確定階段、路由階段。四個階段，具體步驟如下：
[0013] ①初始階段：首先進行網(wǎng)絡的部署，在完成網(wǎng)絡部署后，根據(jù)公式（1)和公式（2) 計算sink的可能運動半徑，該值在后續(xù)運行過程中不再進行計算；
[0014] ②分簇階段：本方法分簇過程如圖2所示，首先在網(wǎng)絡中通過預先設定的閾值選 取一批隨機節(jié)點作為候選簇頭。在此基礎上，計算各候選簇頭節(jié)點的距離梯度和剩余能量 因子（公式（4)、公式（5))，根據(jù)兩個因子計算出候選簇頭的競爭半徑（公式(6))。并按剩 余能量大的候選節(jié)點優(yōu)先廣播，普通節(jié)點選擇最近的簇加入完成分簇過程。
[0015] ③RPs確定階段：根據(jù)公式（7)、（8)分別確定RPs集合的寬度和個數(shù)范圍。根據(jù) 公式（9)-公式（14)建立的0-1整數(shù)規(guī)劃模型求解最優(yōu)的RP從屬簇頭節(jié)點集合問題。最 后使用遺傳算法求解該0-1整數(shù)規(guī)劃問題。
[0016] ④多層路由：簇形成時。普通成員節(jié)點將消息數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭節(jié)點。簇頭接收并 融合處理消息數(shù)據(jù)，然后進行簇間路由。簇間路由時，對任意簇頭i，若在sink單跳范圍 內，則等待sink運動到其通信范圍內直接與移動sink通信。否則，需要轉發(fā)。簇頭i沿最 短路徑傳遞消息給與其對應RP節(jié)點。RP節(jié)點與sink進行通信。
[0017] 本發(fā)明的有益效果主要有以下幾點：1)本發(fā)明在網(wǎng)絡初始化階段計算了移動 sink的可能軌跡時考慮了應用程序時延和網(wǎng)絡總能量消耗，更加接近真實應用；2)本發(fā)明 改進了非均勻成簇機制，在計算競爭半徑時，考慮到了節(jié)點相對于移動sink的距離和節(jié)點 的剩余能量因子，更加均衡了簇頭節(jié)點之間的能量消耗；3)本發(fā)明構建RPs的從屬簇頭節(jié) 點問題時采用的0-1整數(shù)規(guī)劃模型，且使用遺傳算法求解該模型，便于擴展到更大規(guī)模的 網(wǎng)絡；4)在多層路由階段，使用的多層路由，更加方便管理和拓撲控制。
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明流程圖。
[0019] 圖2為本發(fā)明的非均勻分簇的示意圖。
[0020] 圖3為本發(fā)明的網(wǎng)絡模型示意圖。
[0021] 圖4為遺傳算法流程圖。
[0022] 圖5為三種算法與本發(fā)明的簇頭數(shù)目對比圖。
[0023] 圖6為三種算法與本發(fā)明的生命周期對比圖。
[0024] 圖7為三種算法與本發(fā)明的剩余總能量對比圖。
【具體實施方式】
[0025] 圖3為網(wǎng)絡模型示意圖，在半徑為226m圓形區(qū)域內隨機部署1600個傳感器節(jié)點， sink位于（0,0)位置處，具體模型為：
[0026] ①sink節(jié)點沿固定軌跡做圓周運動，速率大小恒定，sink節(jié)點的能量足夠，存儲 容量不受限制。
[0027] ②所有普通傳感器節(jié)點同構，即節(jié)點的初始能量、通信半徑、存儲容量、消息產(chǎn)生 率均相同。
[0028] ③所有普通傳感器節(jié)點已知網(wǎng)絡中心位置，并能使用GPS輔助設備進行定位。
[0029] ④移動sink和