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专利号: 2021101696759
申请人: 中山大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-11-27
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于樽海鞘算法优化的WSN分簇路由方法,其特征在于:所述的方法步骤如下:S1:综合考虑包括节点剩余能量、簇头节点间距离、簇内节点与簇头的距离、节点到基站的距离、簇头节点数量几种因素构造目标函数;

S2:采用樽海鞘算法对目标函数进行求解,寻找最优的分簇方案,进而将整个网络分为不均匀的簇,簇内节点通过单跳方式将数据发送给簇头;

S3:采用路由效用函数f(CHi)构造以基站为根节点的最小生成树;

S4:簇头通过最小生成树组织的路由以单跳‑多跳相结合的方式将数据传送给基站。

2.根据权利要求1所述的基于樽海鞘算法优化的WSN分簇路由方法,其特征在于:所述的目标函数表达式如下:

min fobj=ω1·f1+ω2·f2+ω3·f3                (1)f3=K/N                         (4)式中,f1表示候选簇头能量评价因子; 表示网络节点的初始能量之和;

为当前轮中候选簇头的能量之和;f2表示分簇质量评价因子;

表示簇内紧凑性评价因子,其值取各簇内节点与本簇头平均欧式距离的最大值; 表示簇头分散性评价因子,其取值各簇头节点与其他簇头节点间距离的最小值;f3表示簇头数量评价因子;K表示簇的数量;N表示网络中节点的数量;ni表示第i个节点;CHs,j表示第j个簇头节点;CHs,k表示第k个簇头节点;s表示第s个樽海鞘搜索粒子;E(ni)表示第i个节点的剩余能量;d(ni,CHs,k)表示节点i和簇头节点k之间的最小欧式距离;d(CHs,j,CHs,k)表示簇头节点j和簇头节点k之间的最小欧式距离;ω1表示f1的权重系数,ω2表示f2的权重系数,ω3表示f3的权重系数,且满足ω1+ω2+ω3=1。

3.根据权利要求2所述的基于樽海鞘算法优化的WSN分簇路由方法,其特征在于:假设网络中包含N个节点,预先定义分为K个簇,候选簇头数为M,其中M>>K,则存在的分簇方式有种,在其中确定最佳的分簇方式看作一个优化问题,并采用樽海鞘算法进行求解,使每一个樽海鞘个体代表一种可能的分簇方式,用目标函数评价其性能,设置Pops个樽海鞘组成搜索群体在 种可能的簇头组合方式中寻找最优解,使目标函数取得最小值。

4.根据权利要求3所述的基于樽海鞘算法优化的WSN分簇路由方法,其特征在于:采用樽海鞘算法进行求解具体如下:

D1:随机初始化樽海鞘种群的位置;

D2:更新樽海鞘种群的位置;

D3:利用转换函数将位置更新后的粒子各维度的实数值转换为0或1的离散值;

D4:根据目标函数式(1)来计算更新后的樽海鞘粒子的适应度值,同时将当前种群中适应度值最小的粒子的位置保存为Foodsource;

D5:判断是否达到预设迭代终止条件,若是,则进行下一步,否则回到步骤D2;

D6:将食物源Foodsource的最终位置作为最优分簇方案,挑选Foodsource中值为1的维度所对应的节点作为簇头节点。

5.根据权利要求4所述的基于樽海鞘算法优化的WSN分簇路由方法,其特征在于:步骤D1,初始化樽海鞘种群的位置具体包括如下:假设樽海鞘的种群规模为Pops,在N维搜索空间中定义樽海鞘的位置,其中N表示网络中节点的数量;ub=[ub1,ub2,...,ubN]表示各个维度位置变化范围的上界,lb=[lb1,lb2,...,lbN]表示各个维度位置变化范围的下界;同时将前Pops/2个樽海鞘看做领导者,将剩余的Pops/2个樽海鞘看做跟随者;根据目标函数式(1)计算每个樽海鞘粒子的适应度值,并将种群中适应度值最小的粒子的位置记作食物源Foodsource。

6.根据权利要求5所述的基于樽海鞘算法优化的WSN分簇路由方法,其特征在于:对于领导者,其位置更新的表达式如下:

j

式中,leaderi 为第j只领导者在第i维空间的位置,ubi、lbi分别为第i维位置上对应的上下限;Fi是食物源在第i维空间的位置,系数r1是自适应减小的调控参数,负责平衡算法的全局探索和局部开采能力,r1的表达式为:式中,t表示当前迭代次数;T表示最大迭代次数;系数r2和r3是在[0,1]范围内的随机数,它们决定了第j个粒子在第i维空间中下一个位置的移动方向和移动距离。

7.根据权利要求6所述的基于樽海鞘算法优化的WSN分簇路由方法,其特征在于:对于跟随者,其位置更新的表达式为:

j

式中,followeri 表示第j只跟随者在第i维空间的位置, 和 表示第j只跟随者j

followeri前面两只樽海鞘粒子的位置。

8.根据权利要求7所述的基于樽海鞘算法优化的WSN分簇路由方法,其特征在于:所述的转换函数的表达式如下:

j j

式中, 表示第t+1次迭代更新后领导者leaderi (t)或者跟随者followeri (t)的位置, 表示第t次迭代过程中 所对应的转换概率,当的值大于随机数rand时,的值为1,表示第i个节点被选作簇头节点;当 的值小于或等于随机数rand时, 的值为0,表示第i个节点被选作成员节点,rand是[0,1]之间的一个随机数。

9.根据权利要求8所述的基于樽海鞘算法优化的WSN分簇路由方法,其特征在于:所述的路由效用函数f(CHi)的表达式如下:式中, 表示节点i的所有邻居节点的平均能量,Ecur(k)表示节点k的当前能量状态;Ai表示簇头节点i的所有邻居簇头节点集合;w表示权值系数且w=0.4;d(·)表示两个节点间的最小欧式距离。