一种双簇头无线传感器网络分簇路由方法

本发明属于无线传感器网络，具体涉及一种双簇头无线传感器网络分簇路由方法。

背景技术：

1、无线传感器网络具有低成本、分布式和自组织等特点。无线传感器网络通常是由成千上万个传感器节点组成，广泛适用于恶劣环境或人类不宜到达的区域，如：草原、山区、森林等。

2、草原作为地球上分布最广的植被类型，由于人类过度放牧、开荒种田、加之气候变化等原因的影响，造成草原生态环境不断恶化，如何有效保护草原生态环境已刻不容缓。无线传感器网络以其独特优势备受草原工作者和研究人员青睐，但是传感器的功耗问题已成为制约其快速发展的重要因素。

3、针对无线传感器网络的功耗受限问题，目前通常采用分簇路由协议来降低节点能量损耗，其中低功耗的自适应集簇分层型协议被广泛应用于各类无线传感器网络中，但是，由于自适应集簇分层型协议的簇头节点采用随机选取方式，往往导致综合条件较差的节点当选为簇头时，易出现节点过早死亡，进而需要重新选取簇头节点的问题，而簇头节频繁重新选取会大大增加节点的能量损耗，因此现有技术仍不能很好的解决节点能耗问题。

技术实现思路

1、鉴于此，为解决上述背景技术中所提出的问题，本发明的目的在于提供一种双簇头无线传感器网络分簇路由方法。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种双簇头无线传感器网络分簇路由方法，包括：

4、a)节点分层：构建关于无线传感器节点位置的节点分层模型，并基于所述节点分层模型分层处理目标区域内的n个无线传感器节点；

5、b)主簇头的选取：通过约束因子优化主簇头节点选取的阈值公式，所述约束因子包括节点间密度因子、剩余能量因子和邻节点密度因子，且基于所述阈值公式确定主簇头节点；

6、c)簇的形成：主簇头在竞争区域内发布入簇信息公告，剩余节点接收到入簇数据信息并根据竞争半径选择入簇；

7、d)副簇头的选取：通过改进后的麻雀搜索算法选取副簇头节点；

8、e)数据传输：副簇头汲取簇内其余节点数据信息，并将数据信息传给簇内主簇头；主簇头进行簇间以及与基站之间的数据传输。

9、优选的，基于所述节点分层模型分层处理目标区域内的n个无线传感器节点：

10、获取所述目标区域内各无线传感器节点与基站之间的距离；

11、以最小距离和最大距离为极限值构建总分层范围；

12、将总分层范围均匀分层为m个层区范围，并根据层区范围确定各无线传感器节点的分层层次。

13、优选的，将总分层范围均匀分层为4个层区范围，并记4个层区范围所对应的层次分别为l1、l2、l3、l4。

14、优选的，主簇头节点选取的阈值公式为：

15、式中，dα为节点间密度因子，eβ为剩余能量因子，nγ为邻节点密度因子，α、β、γ为约束因子常数，α、β、γ∈(0，1)，且α+β+γ＝1。

16、优选的，基于所述阈值公式确定主簇头节点：各无线传感器节点均随机生成一个0～1之间的随机数，随机参数与阈值tn进行比较，若随机参数小于阈值tn，则该节点加入簇头节点集中，然后从所述簇头节点集中筛选出剩余能量最多的节点作为主簇头节点。

17、优选的，节点间密度因子dα的表达式为：

18、式中，ds为节点与基站之间的距离，dmin为目标区域内各节点与基站之间的最小距离，dmax为目标区域内各节点与基站之间的最大距离，且dmax＜rr，rr为基站的通信半径。

19、优选的，所述剩余能量因子eβ的表达式为：

20、式中，es为节点当前剩余能量值，ebegin为节点初始能量值。

21、优选的，所述邻节点密度因子nγ的表达式为：

22、式中，n(i)r为节点i在第r轮可进行交互的邻节点集合，m为节点个数。

23、优选的，改进后的麻雀搜索算法包括：

24、通过s i ne混沌序列映射初始化麻雀种群，且s i ne混沌序列表达式为：

25、

26、引入levy飞行策略优化寻找全局最优解过程，且levy飞行策略表达式为：

27、

28、σs2＝1。

29、优选的，改进后的麻雀搜索算法表达式为：

30、

31、本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

32、本发明的双簇头无线传感器网络分簇路由方法，首先在初始化阶段构建了基于节点位置信息的节点分层结构；然后在簇形成阶段采用双簇头(分为主/副簇头)分簇模型优化了节点的任务分配，并且采用了多项约束因子对主簇头选取机制进行优化，同时在簇内的副簇头选取上应用了改进的麻雀搜索算法，减少了算法迭代轮数，提高了节点间通信的质量和效率，进而大幅度降低无线传感器网络的功耗并延长网络生命周期，以此有效解决因能耗过大而导致的簇头节点生存周期过短问题。

技术特征：

1.一种双簇头无线传感器网络分簇路由方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的双簇头无线传感器网络分簇路由方法，其特征在于，基于所述节点分层模型分层处理目标区域内的n个无线传感器节点：

3.根据权利要求2所述的双簇头无线传感器网络分簇路由方法，其特征在于：将总分层范围均匀分层为4个层区范围，并记4个层区范围所对应的层次分别为l1、l2、l3、l4。

4.根据权利要求1所述的双簇头无线传感器网络分簇路由方法，其特征在于，主簇头节点选取的阈值公式为：

5.根据权利要求2所述的双簇头无线传感器网络分簇路由方法，其特征在于，基于所述阈值公式确定主簇头节点：

6.根据权利要求3所述的双簇头无线传感器网络分簇路由方法，其特征在于，所述节点间密度因子dα的表达式为：

7.根据权利要求4所述的双簇头无线传感器网络分簇路由方法，其特征在于，所述剩余能量因子eβ的表达式为：

8.根据权利要求5所述的双簇头无线传感器网络分簇路由方法，其特征在于，所述邻节点密度因子nγ的表达式为：

9.根据权利要求6所述的双簇头无线传感器网络分簇路由方法，其特征在于，改进后的麻雀搜索算法表达式为：

10.根据权利要求9所述的双簇头无线传感器网络分簇路由方法，其特征在于，改进后的麻雀搜索算法包括：

技术总结
本发明属于无线传感器网络技术领域，公开了一种双簇头无线传感器网络分簇路由方法，包括：a)节点分层：构建关于无线传感器节点位置的节点分层模型，并基于所述节点分层模型分层处理目标区域内的N个无线传感器节点；b)主簇头的选取：通过约束因子优化主簇头节点选取的阈值公式，且基于所述阈值公式确定主簇头节点；c)簇的形成：主簇头在竞争区域内发布入簇信息公告，剩余节点接收到入簇数据信息并根据竞争半径选择入簇；d)副簇头的选取：通过改进后的麻雀搜索算法选取副簇头节点；e)数据传输：副簇头汲取簇内其余节点数据信息，并将数据信息传给簇内主簇头；主簇头进行簇间以及与基站之间的数据传输。

技术研发人员：马占飞,林继祥,马子渊,李学宝,崔连伟,马钰松,郑磊
受保护的技术使用者：内蒙古科技大学包头师范学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11