本发明专利技术涉及无线传感器网络领域，公开了一种基于分层法的无线传感网络的路由方法，该方法包括：首先确定最佳分簇数，计算节点之间的相对距离和方差；根据传感器节点之间的方差建立质心的候选集；在候选集挑选首个质心节点的过程中，选取与其他节点相对距离最大的节点作为质心节点；剩余质心节点选举中，挑选与已有质心节点相对距离最大的节点作为新增的质心节点；由选出的质心节点来运行簇头优化算法，计算每一个节点的适应度函数寻找每个簇空间中最优的簇头节点；数据传输过程中，由簇成员节点进行数据收集，并传输给簇头节点。簇头节点通过数据整合后，将数据传输给基站。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于无线传感器网络，具体涉及一种无线传感网络的路由方法。
技术介绍
1、无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的低成本低功耗的微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的、自组织的网络系统。无线传感器网络在进行数据传输时，存在能量均衡优化问题，各个传感器节点能量消耗不均衡，导致一部分传感器节点会提前耗尽能量，丧失数据采集和数据传输的功能。从而影响到整体网络的通信范围以及网络功能。
2、经典的无线传感器网络路由方法有平面型路由协议，位置感知路由协议、地理路由协议。这几种方法无法有效的减少数据转发的次数，而层次型路由协议从过给整个网络分层，选举一些合适的传感器节点作为簇头节点来管理其余成员节点，并且与基站进行通信。
技术实现思路
1、本专利技术为了解决无线传感器网络存在节点能量消耗不均衡的问题，以及现有路由方法存在数据传输效率差，网络寿命短的问题。
2、基于分层法的无线传感器网络路由方法，包括以下步骤：
3、s1首先是根据网络中的节点数量确定最佳分簇数，计算节点之间的相对距离和方差；
4、s2为防止孤立节点成为质心节点形成孤立簇，根据传感器节点之间的方差建立质心的候选集；
5、s3在候选集挑选首个质心节点的过程中，选取与其他节点相对距离最大的节点作为质心节点；
6、s4剩余质心节点选举中，挑选与已有质心节点相对距离最大的节点作为新增的质心节点，这是为了避免质心节点过于集中导致出现分簇过密的问题；</p>7、s5在上一步形成的簇内，由选出的质心节点来运行簇头优化算法，计算每一个节点的适应度函数寻找每个簇空间中最优的簇头节点，整个流程如图1所示；
8、s6在无线传感器网络中，由簇成员节点进行数据收集，并传输给簇头节点。簇头节点通过数据整合后，将数据传输给基站。因此负责大量数据收发工作的簇头节点往往能耗较快，且由于各个簇头节点物理位置差异、距离基站距离等原因，会导致各个簇头节点能耗不均。为了防止簇头节点过早死亡，选用能量较高的簇头节点进行信息转发。
9、上述的一种基于分层法的无线传感器网络路由方法，所述步骤s1包含以下步骤：
10、s11首先根据网络区域内传感器节点的数量，确定分簇数k，最优分簇数会随着区域内传感器节点的数量变化而动态变化；
11、s12根据各个传感器节点的二维位置坐标，分别计算与剩余传感器节点之间的相对距离dist(xi,xj)、方差σi，将上述数据发送给基站并存储在基站和传感器节点的存储器中。
12、上述的一种基于分层法的无线传感器网络路由方法，所述步骤s2包含以下步骤：
13、s21基站根据存储器中各个节点的二维位置坐标，计算传感器节点的平均值坐标x；根据传感器节点的平均值坐标与二维位置坐标计算传感器节点位置坐标的方差σ；
14、s22各个传感器节点将自身方差σi与总平均方差σ进行对比，排除方差较大的孤立节点；建立质心节点候选集sm，将方差较小的传感器节点编号加入质心节点候选集sm。
15、上述的一种基于分层法的无线传感器网络路由方法，所述步骤s3包含以下步骤：
16、s31基站通过广播向传感器节点发送候选集节点信息；
17、s32传感器节点接收广播，处于候选集中的传感器节点调取与候选集中其余节点的相对距离dist(xi,xj)；处于候选集sm中的节点xi计算自身与其余候选集节点的总距离di，比较所有的di，选取di最大的候选集节点成为第一个质心节点o1。
18、上述的一种基于分层法的无线传感器网络路由方法，所述步骤s4包含以下步骤：
19、s41选取完首个质心节点o1后，由首个质心节点发送广播，选举候选集内与质心节点距离最大的节点成为第二个质心节点o2；
20、s42网络中的非质心节点根据距离最小原则，加入与两个质心节点距离较小的簇中，形成两个簇；
21、s43在已形成的各个簇中，质心节点ol根据距离自身最远的dist(ol,xi)，选举出一个候选节点ol'；
22、s44各个候选节点组成一个新的候选集，比较各个候选集节点ol'与自身簇质心节点ol的距离dist(ol,ol')，选举距离最大的候选节点成为新的质心节点；非质心节点根据距离最小原则重新分簇；
23、s45重复s44上述步骤，直到网络空间被分成满足最优分簇数的k个初始簇空间。
24、上述的一种基于分层法的无线传感器网络路由方法，所述步骤s5包含以下步骤：
25、s51在各个初始簇空间内，由质心节点运行基于灰狼算法(grey wolf optimizer,gwo)的簇头优选算法；
26、s52首先进行种群初始化，各个簇空间内随机生成一组候选簇头节点作为初始解。设置算法迭代次数为100次，设置种群规模为簇空间内簇成员节点数的1/4；
27、s53在基于灰狼算法的簇头优选算法中，为了优化簇头选择，提高网络的生命周期，本专利技术设置的适应度函数有以下五个，他们分别是：节点剩余能量、节点间距离、簇头与基站间距离、节点度以及节点的中心性；
28、s54对于种群中每一只“灰狼”(候选簇头)，计算其适应度函数，适应度较高的节点更有可能被选择为簇头，将适应度最高的三个候选簇头节点分别标记为α、β、δ狼；
29、s55根据灰狼算法的基本流程，更新每一只狼的位置，分别计算距离系数a和c；根据α、β、δ狼的位置更新每一只灰狼的位置；
30、s56计算更新后的位置(即新的候选簇头)的适应度值，若新的候选簇头节点的适应度值更好，则更新α、β、δ狼的位置；
31、s57重复步骤s54至s56,知道达到预设的迭代次数，每个簇空间完成簇头优选，每个簇空间的α狼设置为本簇的簇头节点。
32、上述的一种基于分层法的无线传感器网络路由方法，所述步骤s6包含以下步骤：
33、s61本专利技术中分簇网络主要的数据转发任务由簇头节点完成，簇成员节点只与相应的簇头节点通信。因此簇头节点的能量往往消耗较快且每个簇头节点能耗不均，为了实现簇头节点间的能量均衡，设立能量阈值eth；
34、s62簇头节点利用历史网络信息和邻节点信息将邻接表中的有效转发簇头节点划分至候选集，计算有效节点的平均剩余能量，定义为能量阈值eth，剩余能量低于阈值的簇头节点不参与本次数据的转发；
35、s63发送数据的簇头节点计算候选集内转发节点的传输成本，根据转发的传输成本按照升序排列转发候选集ci中的转发簇头节点顺序；
36、s64候选集ci中优先级最高的转发簇头节点ci1若收到数据包，那么不管其他候选转发节点是否接收到数据包，ci1将被是为转发数据的下一跳；假设第一优先级的ci1未成功接收到数据包，则有第二优先级的候选簇头节点负责转发，以此类推。
37、有益效果：
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【技术保护点】
1.一种基于分层法的无线传感网络的路由方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于分层法的无线传感网络的路由方法，其特征在于：所述步骤S1根据网络中的节点数量确定最佳分簇数，计算节点之间的相对距离和方差，包含以下步骤：
3.根据权利要求1所述的一种基于分层法的无线传感网络的路由方法，其特征在于：所述步骤S2为防止孤立节点成为质心节点形成孤立簇，根据传感器节点之间的方差建立质心的候选集，包含以下步骤：
4.根据权利要求1所述的一种基于分层法的无线传感网络的路由方法，其特征在于，所述步骤S3在候选集挑选首个质心节点的过程中，选取与其他节点相对距离最大的节点作为质心节点，包含以下子步骤：
5.根据权利要求1所述的一种基于分层法的无线传感网络的路由方法，其特征在于，所述步骤S4剩余质心节点选举中，挑选与已有质心节点相对距离最大的节点作为新增的质心节点，这是为了避免质心节点过于集中导致出现分簇过密的问题，包含以下子步骤：
6.根据权利要求1所述的一种基于分层法的无线传感网络的路由方法，其特征在于，所述步骤S5在上一步形成的簇内，由选出的质心节点来运行簇头优化算法，计算每一个节点的适应度函数寻找每个簇空间中最优的簇头节点，包含以下子步骤：
7.根据权利要求1所述的一种基于分层法的无线传感网络的路由方法，其特征在于，所述步骤S6在无线传感器网络中，由簇成员节点进行数据收集，并传输给簇头节点。簇头节点通过数据整合后，将数据传输给基站。因此负责大量数据收发工作的簇头节点往往能耗较快，且由于各个簇头节点物理位置差异、距离基站距离等原因，会导致各个簇头节点能耗不均。为了防止簇头节点过早死亡，选用能量较高的簇头节点进行信息转发。，包含以下子步骤：
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【技术特征摘要】
1.一种基于分层法的无线传感网络的路由方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于分层法的无线传感网络的路由方法，其特征在于：所述步骤s1根据网络中的节点数量确定最佳分簇数，计算节点之间的相对距离和方差，包含以下步骤：
3.根据权利要求1所述的一种基于分层法的无线传感网络的路由方法，其特征在于：所述步骤s2为防止孤立节点成为质心节点形成孤立簇，根据传感器节点之间的方差建立质心的候选集，包含以下步骤：
4.根据权利要求1所述的一种基于分层法的无线传感网络的路由方法，其特征在于，所述步骤s3在候选集挑选首个质心节点的过程中，选取与其他节点相对距离最大的节点作为质心节点，包含以下子步骤：
5.根据权利要求1所述的一种基于分层法的无线传感网络的路由方法，其特征在于，所述步骤s4剩余质心节点选举中，挑...
【专利技术属性】
技术研发人员：吕鑫淼，李东沅，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：
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