一种基于模糊逻辑的无线传感器网络分扇路由协议制造技术

本发明专利技术涉及一种无线传感器网络多跳路由方法，特别是一种基于模糊逻辑的无线传感器网络分扇路由协议。根据每个环中的最佳簇数将网络划分为不同的环形扇区。此外，采用模糊逻辑控制器选择各环扇区的簇头（CH），确定CH发送转发数据的跳数，以缓解簇内和簇间通信的热点问题，提高簇内和簇间通信的能量效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于模糊逻辑的无线传感器网络分扇路由协议
本专利技术涉及一种无线传感器网络多跳路由方法，特别是一种基于模糊逻辑的无线传感器网络分扇路由协议。根据每个环中的最佳簇数将网络划分为不同的环形扇区。此外，采用模糊逻辑控制器选择各环扇区的簇头（CH），确定CH发送转发数据的跳数，以缓解簇内和簇间通信的热点问题，提高簇内和簇间通信的能量效率。
技术介绍
如今，随着大数据、物联网等信息技术的飞速发展，各类无线传感器网络在健康、环境监测、战场监视、空间探索等领域得到了广泛的应用，其中最常见的是环形扇形网络，所有节点都将数据发送到一个基站（BS）。在这些网络中，节点通常被随机地部署在环境剧烈变化的目标区域，这些节点通常被分组成簇以最小化能量消耗，从而最大限度地延长网络的生命周期。由于节点通信的局限性，单跳传输是不可能的，因此位于远离BS外环的节点通过BS附近的节点与BS进行通信，以提高节点的能量利用率，平衡网络的能量消耗。因此，与其他节点相比，BS附近的节点由于其承载的网络负载较多，导致负载数据传递不平衡，能耗不均匀，从而导致所谓的热点问题。为了克服这一热点问题，在无线传感器网络中采用不等的分簇方案来平衡节点间的负载，减小了距离BS较近的簇的大小，簇的大小随着BS与节点间距离的增加而增大。通常，这些方案包括两个阶段：簇构建和数据传输。在分簇构建阶段，采用概率、权重、智能等方法对分簇结果进行选择。使用单跳、多跳或混合方法进行分簇。从能量均匀消耗的观点出发，将网络划分为同心环或环形扇区，然而，现有的方案将网络划分为具有相同单元的环形区域，这使得每个环形区域不可能消耗均匀的能量。此外，基于权值的分簇方法不能很好地处理实际网络中不同的不确定性和动态性。特别是，逐跳数据通信给中间节点带来了负担，这些节点容易过早死亡。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有的方案将网络划分为具有相同单元的环形区域，这使得每个环形区域不可能消耗均匀的能量。此外，基于权值的分簇方法不能很好地处理实际网络中的不确定性和动态性。特别是，逐跳数据通信给中间节点带来了负担，这些节点容易过早死亡。针对这一问题，本文提出了一种基于模糊逻辑的环空扇区分簇路由协议（FASC）。首先将环网划分为不同的环网，并根据计算出的各环网的最佳簇数将各环网划分为不同的扇区。然后设计了一种新的模糊逻辑控制器，利用剩余能量、数据长度、节点中心度和到BS的距离四个参数来确定信道的概率和跳数。簇的数据根据每个CH的跳数而不是逐跳传送到BS，这样可以进一步减少到BS的跳数，从而使端到端的延迟和平均跳数最小化。本专利技术一种基于模糊逻辑的无线传感器网络分扇路由协议由四部分构成，即网络模型、最优簇数确定、模糊逻辑CH选择和跳数计算、多跳路由。网络模型具体为环形网络，BS位于圆心，目标监测区域被划分为多个同心环，节点均匀分布在各个环内。最优簇数确定是基于每环能耗最小为目标，计算求得每个环的最优簇数。由于最外环节点不承担数据转发任务，其消耗的能量也不同。因此分别确定了最外环和内环的最优簇数。模糊控制系统是为了使系统既具有模糊逻辑推理能力，同时也可以通过系统自适应来不断改进和调整，从而达到更好的控制效果。模糊控制系统根据剩余能量、数据长度、节点中心度和到BS的距离四个参数来确定成为CH的“机会”和发送转发数据的“跳数”。所述的网络模型为环形网络，BS位于中心，半径为R，N个节点均匀分布在目标区域。每个节点具有唯一的ID。节点的能耗采用自由空间模型计算，具体包括发送数据、接收数据以及融合数据消耗的能量。所述的最优簇数确定是以每环能耗最小为目标计算最优的簇数，基于该数，每个环被划分为等分的相应网格数，每个网格为一个簇，每个簇一个簇头，也就是说确定了簇头数。分别根据最外环和内环能耗公式，求导计算得出了每个环的最优簇数。所述的模糊逻辑CH选择和跳数计算。根据基于剩余能量、节点中心度和到BS的距离来决定成为CH的“机会”，以及基于剩余能量、数据长度和到BS的距离来决定到下一个CH的“跳数”。据我们所知，这是第一次使用模糊逻辑来确定跳数。模糊控制器包括模糊控制器输入、输出变量模糊化和模糊规则定义及解模糊。模糊控制器的输入参数为“剩余能量”、“节点中心度”、“到BS的距离”、“数据长度”，输出参数为“机会”和“跳数”。所述的多跳路由在稳态阶段中FASC中的多跳路由机制就不同于传统协议中的逐跳路由机制，用于将数据转发到BS。在簇中，成员节点在其时间段内向其CH发送数据，CH基于其“跳数”以最大剩余能量和最少成员节点数聚集并向最优中间CH发送数据。附图说明图1为本专利技术的环形网络模型；图2为本专利技术的簇头之间距离关系示意图；图3为本专利技术的成员与簇头之间距离关系示意图；图4为本专利技术的模糊逻辑控制器；图5为本专利技术的输入变量剩余能量的隶属度函数图；图6为本专利技术的输入变量节点中心度的隶属度函数图；图7为本专利技术的输入变量到BS的距离的隶属度函数图；图8本专利技术的输入变量数据长度的隶属度函数图；图9本专利技术的输出变量机会的隶属度函数图；图10本专利技术的输出变量跳数的隶属度函数图；图11为本专利技术的存活节点个数示意图；图12为本专利技术的能量消耗示意图；图13为本专利技术的生命周期示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术一种基于模糊逻辑的无线传感器网络分扇路由协议由三部分构成，即网络模型、最优簇数确定、模糊逻辑CH选择和跳数计算、多跳路由。网络模型具体为环形网络，BS位于圆心，目标监测区域被划分为多个同心环，节点均匀分布在各个环内。最优簇数确定是基于每环能耗最小为目标，计算求得每个环的最优簇数。由于最外环节点不承担数据转发任务，其消耗的能量也不同。因此分别确定了最外环和内环的最优簇数。模糊控制系统是为了使系统既具有模糊逻辑推理能力，同时也可以通过系统自适应来不断改进和调整，从而达到更好的控制效果。模糊控制系统根据剩余能量、数据长度、节点中心度和到BS的距离四个参数来确定成为CH的“机会”和发送转发数据的“跳数”。所述的网络模型为环形网络，如图1所示，BS位于中心，半径为R，N个节点均匀分布在目标区域，每个节点具有唯一的ID，网络初始化后节点的位置不再发生变化，BS把自己的位置信息发送给所有传感器节点，来自所有成员节点（CM）的数据由CH融合，并且只允许CH与BS通信，网络中链路没有冲突和重传，网络具有很好的连接性。节点的能耗采用自由空间模型计算，具体包括发送数据、接收数据以及融合数据消耗的能量。距离为d的两个节点之间发送或者接收的数据所消耗的能量如式（1）、（2）、（3）所示：（1）（2）（3）其中，是传感器节点发送或者接收1bit数据时节点所消耗的能量，是采用自由空间模型时的放大参数，是采用多路衰减模型时的放大参数，是距离阈值。融合个传感器节点发送的数据所消耗的能量为，其表达式为：（4）其中，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于模糊逻辑的无线传感器网络分扇路由协议，其特征在于:包含了四部分构成即网络模型、最优簇数确定、模糊逻辑CH选择和跳数计算、多跳路由；网络模型具体为环形网络，基站位于圆心，目标监测区域被划分为多个同心环，节点均匀分布在各个环内；最优簇数确定是基于每环能耗最小为目标，计算求得每个环的最优簇数；由于最外环节点不承担数据转发任务，其消耗的能量也不同，因此分别确定了最外环和内环的最优簇数；模糊控制系统根据剩余能量、数据长度、节点中心度和到基站的距离四个参数来确定成为CH的机会和发送转发数据的跳数；多跳路由用于将数据转发到BS，成员节点在其时间段内向其CH发送数据，CH基于其“跳数”向最大剩余能量和最少成员节点的最优中间CH发送数据。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于模糊逻辑的无线传感器网络分扇路由协议，其特征在于:包含了四部分构成即网络模型、最优簇数确定、模糊逻辑CH选择和跳数计算、多跳路由；网络模型具体为环形网络，基站位于圆心，目标监测区域被划分为多个同心环，节点均匀分布在各个环内；最优簇数确定是基于每环能耗最小为目标，计算求得每个环的最优簇数；由于最外环节点不承担数据转发任务，其消耗的能量也不同，因此分别确定了最外环和内环的最优簇数；模糊控制系统根据剩余能量、数据长度、节点中心度和到基站的距离四个参数来确定成为CH的机会和发送转发数据的跳数；多跳路由用于将数据转发到BS，成员节点在其时间段内向其CH发送数据，CH基于其“跳数”向最大剩余能量和最少成员节点的最优中间CH发送数据。


2.根据权利要求1所述的基于模糊逻辑的无线传感器网络分扇路由协议，其特征在于:所述的网络模型为环形网络，基站BS位于中心，半径为R，N个节点均匀分布在目标区域，每个节点具有唯一的ID，网络初始化后节点的位置不再发生变化，BS把自己的位置信息发送给所有传感器节点，所有CM的数据由CH融合，并且只允许CH与BS通信；节点的能耗采用自由空间模型计算，具体包括发送数据、接收数据以及融合数据消耗的能量；距离为d的两个节点之间发送或者接收的数据所消耗的能量如式(1)、(2)、(3)所示：



Erx＝Eelec*l(2)



其中，Eelec是传感器节点发送或者接收1bit数据时所消耗的能量，εfs是采用自由空间模型时的放大参数，εmp是采用多路衰减模型时的放大参数，d0是距离阈值，融合Ni个传感器节点发送的数据所消耗的能量为EDA，其表达式为：
EDA＝l*EpDb(4)
其中，EpDb是融合1bit数据所消耗的能量，l是数据包的长度，无线传感器网络的能量消耗包括CH接收CM发送的数据所需要的能耗、转发上一环中数据所需要的能耗、融合接收数据所需能耗以及将数据发送到下一跳CH所需能耗以及CM通信所消耗的能量。


3.根据权利要求1所述的基于模糊逻辑的无线传感器网络分扇路由协议，其特征在于：所述的最优簇数确定是以每环能耗最小为目标计算最优的簇数，基于该数，每个环被平均划分为相应的网格数，每个网格为一个簇，每个簇一个簇头，也就是说确定了簇头数；分别根据最外环和内环能耗公式，求导计算得出每个环的最优簇数；在环形网络中，最后一个环的能量消耗与没有数据转发的其他环的能量消耗不同，可以表示为
Ech＝l×Eelec×(Nn-1)+l×Eda×(Nn-1)+(l×Eelec+l×εfs×d2ch)Nn(5)
其中，l是数据的长度，Nn是集群的数目，dch是到下一跳CH的距离，该跳CH遵循自由空间模型，A(xn,yn),B(xn-1,yn-1))和C是最后一个环中的CH，然后是dch＜d0；此外，还有dch＜rc(簇半径)用于正确的数据传输，当BC线垂直于切线z时，dch是最小值



同时，网络的能量消耗可以表示为
Ecm＝(Nn-1)(l×Eelec+l×εfs×d2cc)(7)
其中，dcc是成员节点与CH之间的距离，可以用其平方的期望值表示



其中dc是最大的dcc，根据余弦定理求出dc



式中，是对应的中心角，mn表示最佳簇数，因此，环总能耗可以表示为
Etotal＝mn×(Ech+Ecm)(10)
取式(9)对mn的导数...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡黄水，韩优佳，赵宏伟，王宏志，姚美琴，
申请(专利权)人：长春工业大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22