基于非均匀分簇的移动协助无线传感器网络路由方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线传感器网络技术领域，具体涉及基于非均匀分簇的移动协助WSNs 路由方法。
【背景技术】
[0002] 无线传感器网络作为一门交叉学科，主要涉及无线电通信技术、传感器技术、嵌入 式微处理器技术、信息安全技术等。近年来在多个领域内广泛使用，包括军事工业（如美 C4ISRT系统）、航空、商业、生物医疗、反恐防暴、环境保护等。但由于WSNs能量限制问题， 无线传感器网络受到限制和发展。如何减少能量消耗问题是目前WSNs中的研宄热点。目 前在WSNs路由设计时，专家学者们不仅关注数据传输所带来的能量消耗，而且关注WSNs中 各节点能量消耗的不均衡性。这是由于在WSNs中，当一定数目或比例的传感器节点失效或 死亡时，出现能量空洞现象，从而使网络中数据无法正常发送给sink(基站），进而使网络 处于瘫痪状态。
[0003] 由Heinzelman W等人提出的LEACH协议是至今WSNs中引用率较高、较经典的分 簇协议之一。LEACH协议是按轮成簇，在新的一轮重新进行簇头选举。通过设定一个阈值来 确保每一个节点均有成为簇头的机会。簇头选举完成后，普通节点根据簇头广播时收到的 信号强度来判定加入最近的簇。成为簇头的节点在路由阶段，需要采集自身和簇头成员的 数据，并将之发送给sink。LEACH的缺陷：在大规模的网络中，远离sink的簇直接与sink 通信，容易导致能量耗尽而失效。
[0004] DEBUC算法对LEACH算法改进了。该算法对LEACH簇头选举进行了改进，考虑了剩 余能量和与sink距离的影响。在簇间路由时设计了以簇头间的剩余能量、簇内节点数目、 簇与sink的距离的为权值的函数，更好地平衡了簇头节点之间的能量消耗。
[0005] 在对WSNs上述问题的研宄文献中，专家学者采用分簇的路由机制来减少能量消 耗、均衡网络开销。大量的研宄表明，采用分簇路由机制有效地延迟了能量空洞现象的出 现，延长了网络的生命周期，充分地利用了网络的各节点能量。
[0006] 国内外一些专家学者也采用移动协助方式来减少节点的能量消耗。移动协助传感 器网络一般采用移动Sink策略来实现。在实时性要求比较高的网络环境中，如战场信息采 集，一般的静止基站网络无法较好地满足该要求，容易造成数据无法及时送达。此时使用移 动的sink(如无人机搭载、士兵身上穿戴）汇集兴趣信息较好地满足了此类环境需求。移动 sink的引入，在整体上减少了节点数据的转发跳数，减少了网络的能量消耗，从而延长了网 络的生命周期。
[0007] Ma M等提出的M-collector算法（为便于记忆）是一种基于多移动sink的算法。 该算法在设计单个M-collector时，将最大限度地减少M-collector路径的长度的问题简 化为一个混合整数规划模型。针对单个M-collector无法遍历整个网络的情况时，该算法 采用多M-collector同时遍历较短的子旅行路径的策略来达到减少延迟的目的。
[0008] 该算法在设计单个M-collector移动策略时，假设M-collector只能在进入普通 节点通信范围内时，才收集该节点的数据。从该假设可以看出，该M-collector也是采用单 跳收集数据。在通信半径r与网络半径R比值r/R - 0时，等价于旅行商问题。该问题即 是减少M-collector的周游长度。然后该算法采用混合整数规划来求解一条访问节点的最 优路径。最后该算法提出使用多M-collector算法来解决应用程序时延问题，使用生成树 覆盖算法来划分子网络，每个子网络中设计一个M-collector。
[0009] 在静止的WSNs中，非均匀成簇能较好均衡网络的能量消耗、延长网络生命周期。 但当节点数据的转发跳数太多时，WSNs的能量消耗将会增加，造成网络性能下降。采用移动 协助策略，能减少节点数据的转发跳数，但较大的时延使消息数据无法及时地传递给sink。
[0010] 基于此，本方法采用移动sink和非均匀分簇的策略来设计路由算法。本方法采用 移动协助策略，使用移动sink来减少节点消息数据的转发跳数。并在该思想上引入了 RPs 节点，使用RPs节点对接收到的消息数据进行缓存，以此来满足应用程序时延。利用非均匀 分簇思想来均衡各节点的能量消耗。本文算法在满足应用程序时延的前提下，最大化地降 低了网络的能量消耗，同时均衡了网络中各节点的能量销耗，从而延长了网络的生命周期。
【发明内容】
[0011] 本发明提出了采用移动sink和非均匀分簇的策略来设计路由方法。本方法使用 移动sink来减少节点消息数据的转发跳数。并在该思想上引入了 RPs节点，使用RPs节点 对接收到的消息数据进行缓存，以此来满足应用程序时延。利用非均匀分簇思想来均衡各 节点的能量消耗。从而在满足应用程序时延的前提下有效地提高了网络的生命周期。
[0012] 为了实现以上目的，本发明提出的技术方案：非均匀分簇的移动协助WSNs路由方 法，包括初始阶段、分簇阶段、RPs确定阶段、路由阶段。四个阶段，具体步骤如下：
[0013] ①初始阶段：首先进行网络的部署，在完成网络部署后，根据公式（1)和公式（2) 计算sink的可能运动半径，该值在后续运行过程中不再进行计算；
[0014] ②分簇阶段：本方法分簇过程如图2所示，首先在网络中通过预先设定的阈值选 取一批随机节点作为候选簇头。在此基础上，计算各候选簇头节点的距离梯度和剩余能量 因子（公式（4)、公式（5))，根据两个因子计算出候选簇头的竞争半径（公式(6))。并按剩 余能量大的候选节点优先广播，普通节点选择最近的簇加入完成分簇过程。
[0015] ③RPs确定阶段：根据公式（7)、（8)分别确定RPs集合的宽度和个数范围。根据 公式（9)-公式（14)建立的0-1整数规划模型求解最优的RP从属簇头节点集合问题。最 后使用遗传算法求解该0-1整数规划问题。
[0016] ④多层路由：簇形成时。普通成员节点将消息数据发送给簇头节点。簇头接收并 融合处理消息数据，然后进行簇间路由。簇间路由时，对任意簇头i，若在sink单跳范围 内，则等待sink运动到其通信范围内直接与移动sink通信。否则，需要转发。簇头i沿最 短路径传递消息给与其对应RP节点。RP节点与sink进行通信。
[0017] 本发明的有益效果主要有以下几点：1)本发明在网络初始化阶段计算了移动 sink的可能轨迹时考虑了应用程序时延和网络总能量消耗，更加接近真实应用；2)本发明 改进了非均匀成簇机制，在计算竞争半径时，考虑到了节点相对于移动sink的距离和节点 的剩余能量因子，更加均衡了簇头节点之间的能量消耗；3)本发明构建RPs的从属簇头节 点问题时采用的0-1整数规划模型，且使用遗传算法求解该模型，便于扩展到更大规模的 网络；4)在多层路由阶段，使用的多层路由，更加方便管理和拓扑控制。
【附图说明】
[0018] 图1为本发明流程图。
[0019] 图2为本发明的非均匀分簇的示意图。
[0020] 图3为本发明的网络模型示意图。
[0021] 图4为遗传算法流程图。
[0022] 图5为三种算法与本发明的簇头数目对比图。
[0023] 图6为三种算法与本发明的生命周期对比图。
[0024] 图7为三种算法与本发明的剩余总能量对比图。
【具体实施方式】
[0025] 图3为网络模型示意图，在半径为226m圆形区域内随机部署1600个传感器节点， sink位于（0,0)位置处，具体模型为：
[0026] ①sink节点沿固定轨迹做圆周运动，速率大小恒定，sink节点的能量足够，存储 容量不受限制。
[0027] ②所有普通传感器节点同构，即节点的初始能量、通信半径、存储容量、消息产生 率均相同。
[0028] ③所有普通传感器节点已知网络中心位置，并能使用GPS辅助设备进行定位。
[0029] ④移动sink和