[发明专利]一种基于模糊逻辑的无线传感器网络分扇路由方法

权利要求书

1.一种基于模糊逻辑的无线传感器网络分扇路由方法，称为FACS，其特征在于:包括网络模型、最优簇数确定、模糊逻辑CH选择和跳数计算、多跳路由四个方面，具体内容如下：

所述网络模型具体为环形网络，网络半径为R，基站位于圆心，目标监测区域被划分为n个同心环，N个节点均匀分布各个环内；以每环能耗最小为目标计算最优的簇数，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m_n；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，表示为

E_ch＝l×E_elec×(N_n-1)+l×E_da×(N_n-1)+(l×E_elec+l×ε_fs×d²_ch)N_n (1)

其中，l是数据的长度，E_elec是传感器节点发送或者接收1bit数据时所消耗的能量，ε_fs是采用自由空间模型时的放大参数，E_da是融合N_l个传感器节点所发送的数据消耗的能量，其表达式为E_da＝l*E_pDb，其中E_pDb是融合1bit数据所消耗的能量，l是数据包的长度，N_n是簇的数目，d_ch是到下一跳CH的距离，FACS方法遵循自由空间模型，因此需要满足d_ch＜d₀，d₀为自由空间模型传输距离的阈值；同时要保证CH在通信范围内将数据传送到下一跳接收到点，因此还需要满足d_ch＜r_c，r_c为簇半径，用于正确的数据传输，此外，d_ch还需大于每环的宽度，即n为网络中的环数，因此d_ch在公式(2)的范围内；

同时，网络的能量消耗表示为

E_cm＝(N_n-1)(l×E_elec+l×ε_fs×d²_cc) (3)

其中，d_cc是成员节点与CH之间的距离，用其平方的期望值表示，

其中d_c是最大的d_cc，根据余弦定理求出d_c

式中，是对应的中心角，m_n表示最佳簇数，因此，环总能耗可以表示为

E_total＝m_n×(E_ch+E_cm) (6)

取式(6)对m_n的导数，最佳簇数为

其中

其中

A＝m_n×l[N_n(3E_elec+E_da+ε_fs×d²_ch+ε_fs×d²_cc)-ε_fs×d²_cc-2E_elec-E_da]

对于第i环，其最优簇头数表示为m_i.

然后根据最优簇数将每个环平均划分为若干个扇区，每个扇区为一个簇，并采用模糊控制器对该簇进行簇头选择，模糊控制器包括模糊控制器的输入、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“簇头概率”和“跳数”；通过剩余能量、节点中心度和到BS的距离来决定每个节点被选为簇头的概率，通过剩余能量、数据长度和到BS的距离来决定到下一个CH的“跳数”；下面是对模糊控制器输入、输出变量模糊化和模糊规则定义及解模糊的具体介绍；

(1)“剩余能量”的语言变量为“low”,“medium”,“high”，其中“low”和“high”采用梯形隶属度函数，“medium”采用三角形隶属度函数；

(2)“节点中心度”的语言变量为“close”、“adequate”、“far”,其中“close”和“far”采用梯形隶属度函数，“adequate”采用三角形隶属度函数；(3)“到BS的距离”的语言变量为“distant”,“reachable”,“nearby”，其中“distant”和“nearby”采用梯形隶属度函数，“reachable”采用三角形隶属度函数；

(4)“数据长度”的语言变量为“big”，“medium”，“little”，其中“big”和“little”采用梯形隶属度函数，“medium”采用三角形隶属度函数；

(5)“簇头概率”的语言变量为“verylow”、“low”、“rate low”、“low medium”、“medium”、“high medium”、“rather high”、“high”、“very high”，“very low”和“veryhigh”采用梯形隶属度函数，其余的采用三角形隶属度函数；

(6)“跳数”的语言变量为“very little”，“little”，“rather little”，“low medium”，“medium”，“high medium”，“rather more”，“more”，“very more”，其中“verylittle”和“very more”采用梯形隶属度函数，其余的采用三角形隶属度函数；

(7)基于上述语言变量设计了27个if-then规则，然后将4个输入按照if-then规则器中的规则表生成两个输出，最后，利用质心法对模糊推理的输出进行解模糊，得到跳数的清晰值；

通过模糊控制器确定路由的跳数后，在路由稳态阶段每个簇的成员节点在其时间段内向其CH发送数据，之后每个簇头基于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，保证该簇头到基站所需的跳数不大于通过模糊控制器生成的跳数。