一種基于模糊決策的低功耗自適應(yīng)分簇多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒?br> 【專利摘要】本發(fā)明針對WSN網(wǎng)絡(luò)自組織、節(jié)點(diǎn)能耗和通信路徑的不確定性，提出了一種基于模糊決策的低功耗自適應(yīng)分簇多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒?，按一輪為一個(gè)循環(huán)，每一輪包括建立階段和穩(wěn)定階段；所述的建立階段包括簇頭選舉，成簇，簇間路由選擇三個(gè)步驟；所述的穩(wěn)定階段包括數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟襟E。該方法引入了模糊集合的概念，并利用模糊決策的理論選擇出比較優(yōu)秀的通信中繼節(jié)點(diǎn)，從而形成動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)路由結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提出的方法能夠更有效地適應(yīng)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)條件，做到平衡能量和提高網(wǎng)絡(luò)的生存周期。
【專利說明】一種基于模糊決策的低功耗自適應(yīng)分簇多跳無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)拓?fù)淇刂品椒?br>
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂萍夹g(shù)，尤其涉及基于模糊決策的分簇多跳網(wǎng) 絡(luò)拓?fù)淇刂品椒ā?br>
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，傳感器網(wǎng)絡(luò)在入侵檢測、氣象監(jiān)測、安全性和戰(zhàn) 術(shù)偵察等方面獲得了廣泛運(yùn)用。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒ㄊ瞧浜诵募夹g(shù)之一， 也是理論研究的熱點(diǎn)問題。目前已有的研究工作集中在節(jié)能，安全，網(wǎng)絡(luò)QOS等目標(biāo)，形成 了一系列技術(shù)包括節(jié)能路由協(xié)議、數(shù)據(jù)聚合技術(shù)、能量收集技術(shù)，以及安全路由等。其中由 于節(jié)點(diǎn)有限能量的限制，使得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒ㄈ绾谓档凸?jié)點(diǎn)能耗以及延長整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生 命周期成為路由協(xié)議設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素。
[0003] 目前微電子技術(shù)的大幅進(jìn)步和改善，無線傳感器設(shè)備制作得更微小和集成，在實(shí) 際應(yīng)用中得以部署更多的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目，因此大規(guī)模條件下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的 研究引起了極大的關(guān)注。由于應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，大多數(shù)研究的內(nèi)容都有一定程度上的不合 適。主要原因仿真的節(jié)點(diǎn)樹和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模太小，同時(shí)隨著規(guī)模擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)通信的能耗開銷加 大，網(wǎng)絡(luò)的生命周期大幅降低，造成網(wǎng)絡(luò)的可用性變差。目前為止，大規(guī)模WSN路由算法的 研究工作不多?，F(xiàn)有的擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的方法可以分為兩類，一類是采用分簇的結(jié)構(gòu)，通過 構(gòu)造優(yōu)化路徑降低通信能耗，完成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量平衡，以到達(dá)在大規(guī)模的條件下依然可 以正常運(yùn)行的條件，如DECROP ;-類是通過GPRS定位以及移動(dòng)的基站來完成對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的 信息收集，從而避免大量通信導(dǎo)致傳感器節(jié)點(diǎn)的過早死亡，從而延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期，如 DGMA。但是這些工作都存在共同的問題，即試圖用一種確定的算法，來應(yīng)對實(shí)際工作中的不 確定。
[0004] 在WSN的實(shí)際的工作過程中，節(jié)點(diǎn)的能耗和通信路徑是不斷變化的。一方面由于 分簇和簇頭選取的隨機(jī)性，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的能耗變化無法事先確定；另外一方面，網(wǎng)絡(luò)是自組織 的，路徑不斷發(fā)生變化。為此我們通過引入模糊算法，利用這種軟計(jì)算處理所面對的不確 定，提高算法的彈性和適應(yīng)能力。通過模糊算法動(dòng)態(tài)選擇較優(yōu)路徑，以降低網(wǎng)絡(luò)通信的能 耗，提升全網(wǎng)的生命周期。在本發(fā)明中，我們提出了一個(gè)基于模糊理論的低功耗自適應(yīng)分簇 多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒āＴ摲椒ńY(jié)合模糊集合和模糊決策等方法，選出優(yōu)秀的 中繼節(jié)點(diǎn)，最后構(gòu)建出一個(gè)簇間的路由路徑作為傳輸通道，以達(dá)到能量平衡的目的。
[0005] 近年來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)能方面已有許多工作和論文，一般主要集中在分簇 類的協(xié)議中。現(xiàn)有的LEACH-C算法（LEACH-Centralized)，要求只有能量高于網(wǎng)絡(luò)平均剩余 能量的節(jié)點(diǎn)才有可能成為簇首；LEACH-F算法（LEACH-Fixed)每個(gè)簇有個(gè)簇首列表，簇內(nèi)節(jié) 點(diǎn)輪流作為簇頭，以及最優(yōu)簇頭數(shù)的計(jì)算與控制。還有一種多跳的低能量的自適應(yīng)聚類層 次結(jié)構(gòu)路由算法（MR-LEACH)，通過增加自適應(yīng)聚類的層次結(jié)構(gòu)來減少傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消 耗。
[0006] 由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)范圍的擴(kuò)大，會造成通信能耗大幅度上升。現(xiàn)在常用的措施 包括有事件觸發(fā)通信機(jī)制、多跳通信和合作通信等。
[0007] 另外軟計(jì)算（Soft Computing, SC)通過對不確定、不精確及不完全真值的容錯(cuò)以 取得低代價(jià)的解決方案和魯棒性，在不少領(lǐng)域得到了運(yùn)用。這類方法模擬自然界中智能系 統(tǒng)的生化過程（人的感知、腦結(jié)構(gòu)、進(jìn)化和免疫等）來有效處理日常工作。軟計(jì)算的相關(guān)方 法在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中得到了一定的應(yīng)用。但是目前缺乏將軟計(jì)算運(yùn)用于大規(guī)模WSN路由 協(xié)議中的研究成果。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，我們采用模糊數(shù)學(xué)方法引入到路由選擇的過程中，對傳統(tǒng) 的采用了單跳模式不適合大規(guī)模的環(huán)境的LEACH協(xié)議進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種基于模糊決 策的低功耗自適應(yīng)分簇多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒?，或稱一種基于模糊數(shù)學(xué)的低功 耗自適應(yīng)分簇多跳路由協(xié)議（FD-LEACH)。該方法以LEACH協(xié)議為基礎(chǔ)，采用其分簇的想法， 在簇間路由構(gòu)建過程中利用模糊集合和模糊決策的理論來進(jìn)行路徑的優(yōu)化。與現(xiàn)有技術(shù)相 t匕，我們將研究對象從小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)（100個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)）擴(kuò)展到2500個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。本發(fā) 明不僅采用了隸屬函數(shù)來對傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行集合的分類，在之后還利用模糊決策，對各個(gè) 傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一個(gè)比較符合當(dāng)前狀況的評判，從而達(dá)到選出中繼節(jié)點(diǎn)的目的。具體技術(shù) 方案如下：
[0009] -種基于模糊決策的低功耗自適應(yīng)分簇多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒?，按?輪為一個(gè)循環(huán)，每一輪包括建立階段和穩(wěn)定階段；所述的建立階段包括簇頭選舉，成簇，簇 間路由選擇三個(gè)步驟；所述的穩(wěn)定階段包括數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟襟E。
[0010] 所述的簇頭選舉的步驟可使用LEACH協(xié)議中一樣的隨機(jī)選取簇頭的策略；初始化 時(shí)，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)N隨機(jī)生成0到1的數(shù)，若隨機(jī)數(shù)低于門限值T(N)，則該節(jié)點(diǎn)就當(dāng)選為 簇頭，T(N)的計(jì)算方法如下：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于模糊決策的低功耗自適應(yīng)分簇多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒ǎ涮?征在于，按一輪為一個(gè)循環(huán)，每一輪包括建立階段和穩(wěn)定階段；所述的建立階段包括簇頭選 舉，成簇，簇間路由選擇三個(gè)步驟；所述的穩(wěn)定階段包括數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟襟E。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于模糊決策的低功耗自適應(yīng)分簇多跳無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)拓?fù)淇刂品椒ǎ涮卣髟谟?，所述的簇頭選舉的步驟使用LEACH協(xié)議中一樣的隨機(jī)選取 簇頭的策略；初始化時(shí)，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)N隨機(jī)生成O到1的數(shù)，若隨機(jī)數(shù)低于門限值T (N)， 則該傳感器節(jié)點(diǎn)就當(dāng)選為簇頭，T(N)的計(jì)算方法如下：
(1) 其中P為期望每輪選舉傳感器節(jié)點(diǎn)成為簇頭的概率即預(yù)先設(shè)定的簇頭數(shù)目與所有傳 感器節(jié)點(diǎn)總數(shù)目的比值，r為當(dāng)前的輪數(shù)，G是前Ι/p輪中沒有成為簇頭的傳感器節(jié)點(diǎn)的集 合。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于模糊決策的低功耗自適應(yīng)分簇多跳無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)拓?fù)淇刂品椒?，其特征在于，所述的成簇的步驟： 在各區(qū)選取好簇頭之后，各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到信號強(qiáng)弱來選擇加入哪個(gè)簇；如果 沒有簇頭存在，該傳感器節(jié)點(diǎn)則直接與基站通信，否則非簇頭的傳感器節(jié)點(diǎn)的行為一般都 在簇的范圍之內(nèi)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于模糊決策的低功耗自適應(yīng)分簇多跳無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)拓?fù)淇刂品椒ǎ涮卣髟谟?，所述的簇間路由選擇的步驟包括 ： 1)把所有簇頭分為三個(gè)集合，分別用不同的隸屬函數(shù)來衡量這些傳感器節(jié)點(diǎn)的隸屬 度； 所述集合如下： 集合一：用于描述下一跳傳感器節(jié)點(diǎn)與源節(jié)點(diǎn)的距離的關(guān)系，隸屬函數(shù)為
(2) 其中X表示下一跳傳感器節(jié)點(diǎn)與源節(jié)點(diǎn)的距離；Cltl代表通信閾值； 集合二：用于描述下一跳傳感器節(jié)點(diǎn)自身能量的關(guān)系，隸屬函數(shù)為
(〇) 其中y表示傳感器節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的能量；Eci表示所有傳感器節(jié)點(diǎn)的初始能量； 集合三：用于描述下一跳傳感器節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)（BSNode)的距離的關(guān)系，隸屬函數(shù)為
(4) 其中z表示傳感器節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)（BSNode)的距離，Dsmax代表基站到傳感器區(qū)域的最 大距離； 2) 進(jìn)行判別把隸屬度為O的傳感器節(jié)點(diǎn)直接去除，并取交集減少候選傳感器節(jié)點(diǎn)的范 圍； 3) 利用模糊決策中的波達(dá)數(shù)來進(jìn)行決策，對剩余傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行評分相加，取得分最 高者作為下一跳的中繼節(jié)點(diǎn)，決策的公式為： Bvalue = A (X)*a+A(y)*b+A (z)*c (5)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于模糊決策的低功耗自適應(yīng)分簇多跳無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)拓?fù)淇刂品椒?，其特征在于，所述步驟3)中0〈a < c < b〈l,且a+c+b = 1。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于模糊決策的低功耗自適應(yīng)分簇多跳無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)拓?fù)淇刂品椒?，其特征在于，所述的穩(wěn)定階段中，首先進(jìn)行簇內(nèi)的信息收集，由每個(gè)簇內(nèi) 傳感器節(jié)點(diǎn)收集信息，然后把信息傳輸給簇頭；簇頭負(fù)責(zé)把信息進(jìn)行整合，然后向基站傳 輸；簇頭傳輸信息時(shí)，按照各自選定的傳輸路徑，進(jìn)行逐跳的傳輸。
【文檔編號】H04W84/18GK104394566SQ201410637306
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月12日
【發(fā)明者】許峰 申請人:南京航空航天大學(xué)