[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

说明书

本发明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方法。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，采用模糊逻辑控制系统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。

技术领域

本发明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方法。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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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方法(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。

本发明一种基于模糊逻辑的无线传感器网络分扇路由方法由四部分构成，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。模糊控制器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。模糊控制器系统根据剩余能量、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。