一種基于生物啟發的自適應WSN路由算法制造技術

本發明專利技術公開了一種基于生物啟發的自適應WSN路由算法，屬于無線傳感網絡技術領域。該方法針對現有GPSR路由算法依賴的貪婪策略容易造成局部優化和路由空洞問題，提出了一種基于生物啟發的自適應WSN路由算法，分兩個基本步驟：1）在Sink節點所在象限泛洪式發送數據以尋找骨干網；2）利用找到的骨干網發送數據。骨干網的構建過程仿照多頭絨泡菌覓食路徑的形成策略，即借助于地理位置信息、賦予路徑權值來構建路由主干網。節點發送數據過程中，無關節點進入休眠狀態，并且要求其所有鄰居節點的能量差值不大于Threshold，實現了能耗均衡，進而增強了網絡系統健壯性。數據發送完成后保留該骨干網路徑信息，當下一次該節點發送數據時，可以續用此骨干網，省去了再次尋路徑的時間，提高了數據傳輸效率，減少了能量消耗。

【技術實現步驟摘要】
一種基于生物啟發的自適應WSN路由算法
本專利技術屬于無線傳感網絡
，涉及一種基于生物啟發的自適應WSN路由算法。
技術介紹
WSN是由大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構成的無線網絡，以協作地感知、采集、處理和傳輸網絡覆蓋地理區域內被感知對象的信息，并最終把這些信息發送給網絡的所有者。由于傳輸信息所耗能量與距離呈指數相關，并且隨著通信距離增加，網絡信息量也大幅度增加，能量消耗急劇增大。因此，為減少節點能量消耗必須減小有效傳輸半徑。半徑減小后降低了節點覆蓋面積，為了實現WSN大范圍覆蓋，必須使用多跳中繼的方法來傳輸數據，這就需要相應的路由協議。路由技術便成了 WSN的核心技術之一。而先進的路由技術又離不開高效的路由算法的支撐，因此研究人員對路由算法進行了深入的研究。近年來涌現大量的路由算法，GPSR路由算法便是其中之一。GPSR路由算法是一種直接使用地理位置信息建立路由路徑的方法，它采用了貪婪策略來建立路由，但其易陷入局部優化問題。即使其改進版本補充采用了邊界轉發策略，仍然無法解決通信資源利用不均衡，節點易失效的問題，這嚴重破壞了整個WSN的連通性，降低了該算法的健壯性，常常導致整個WSN無法高效持久的運行。因此要綜合考慮這些問題，其實質也是一個多目標組合優化問題。自然科學的研究進展有望提供可行的解決方案。科學研究發現，利用生物體進化所體現出的智能特性是解決此多目標組合優化問題的有效途徑。多頭絨泡菌是一種凝膠性真菌，它能通過細胞膜伸出“觸角”去探知食物源并最終獲取食物，最后能形成粗細明顯的覓食路徑網絡。開始時，將菌落接種在瓊脂培養基上，并在菌落周圍放置食物源，在流體靜壓力作用下，菌落細胞質流動，并朝各個方向伸出“觸角”去搜尋食物源，當找到食物源后，這些“觸角”便在菌落和食物源之間形成覓食路徑，通過該路徑運送食物。而研究發現，食物在細胞質中的濃度又對覓食路徑管壁厚度形成正反饋，即食物濃度大管道壁會越來越厚，進而管道會越來越粗，從而保存下來，而濃度小的管道越來越細，最終趨向于消亡。不僅如此，當細菌和食物源之間有多條覓食路徑時，在食物源所在地和細菌所在地的細胞質食物濃度差作用下，對于覓食路徑管道短的，流量較大，路徑易保存，而覓食路徑管道長的，流量小，路徑也會趨于消亡。因此，總結起來就是覓食路徑的形成與食物濃度和覓食路徑管道長度有關，濃度為正反饋，長度為負反饋。Dij (P1- Pj )Qy =...一LiJ其中Pi和Pj表示壓強，Lij表示細菌和食物源或者食物源之間的長度，Dij表示導通率，Qij表示細胞質流量。總體來看，其本質是在細胞質流量，路徑長度因素影響下構建一個具有傳輸路徑較短、傳輸效率高、穩健性強的最優覓食路徑網絡，也是一個多目標組合優化問題。近年來研究人員利用其特性做的比較經典的實驗有“走迷宮”實驗和“東京地鐵網”模擬實驗。在“走迷宮”試驗中，研究人員發現多絨泡菌總是能夠找到一條通往位于迷宮出口處的食物源的最短路徑；在“東京地鐵網”模擬實驗中，研究人員用一塊瓊脂仿制了形如東京地區的地圖，并將食物源安置在該地圖上的一些主要城市位置處，在該圖的東京地理位置處接種多絨泡菌菌種，經過一段時間的培養后發現，它們能在獲取食物過程中形成一個覓食路徑網絡，該覓食網絡與東京地鐵網具有極高的相似度。研究人員通過分析計算，得出其健壯性，傳輸能力，傳輸效率都趨于最優化。因此，GPSR路由算法所面臨的局部優化、路由空洞和通信資源利用不均衡等問題就可以仿照多頭絨泡菌構建覓食路徑的方式來解決。
技術實現思路
有鑒于此，本專利技術的目的在于提供一種基于生物啟發的自適應WSN路由算法，該路由算法較之GPSR路由算法進行了改進，本算法健壯性更強，傳輸效率更高，相同時間傳輸數據量更大，沒有局部優化出現，而且只要Source節點傳輸過數據到達Sink節點，則從該Source節點到該Sink節點的路徑骨干網記憶在Source節點中，再次發送數據時，不需要重復尋找路徑的過程，便可以獲取從該Source節點到該Sink節點骨干網，從而高效的傳輸數據。為達到上述目的，本專利技術提供如下技術方案:一種基于生物啟發的自適應WSN路由算法，其特征在于:包括以下步驟:S1:若Sink節點為初始Source節點，則初始Source直接將數據轉發到Sink節占.S2:反之，若Sink節點不為初始Source節點的鄰居節點，貝U沿著從初始Source節點到Sink節點的骨干網轉發數據。進一步，所述S2中沿著從初始Source節點到Sink節點的骨干網轉發數據，其中骨干網的獲取方式包括以下兩種:S21:查詢初始Source節點是否記錄有從Source節點到Sink節點的骨干網信息，如果有該記錄信息則續用此骨干網轉發數據；S22:如果沒有該記錄信息時則需要先建立以初始Source節點為相對坐標原點的笛卡爾坐標系，然后在Sink節點所在的Sinkend象限構建骨干網，再利用該構建的骨干網轉發數據。進一步，所述骨干網按以下方法構建:S22_11:初始Source節點轉發第一份數據時，先判斷Sink節點所在的象限，記為Sinkend象限，不在Sinkend象限內的所有節點進入休眠狀態，經過周期T之后重新啟動；然后再在Sinkend象限查找其鄰居節點，并向所有查詢到的節點轉發數據；如果未查詢到任何節點信息，則表明在Source通信范圍內，在Sinkend象限中沒有Source節點的鄰居節點，這時初始Source節點向其所有鄰居節點發送重新啟動指令，然后采用邊界轉發策略，找到下一跳節點，下一跳成為初始Source節點，再按照本算法發送數據；S22-12:當選節點接收數據，并且只接收第一個轉發到該節點的數據，然后將該數據所經過的路徑信息記錄在數據中，再轉發給下一節點；對于后續數據按此規則循環轉發；S22-13:對于到達Sink節點的數據，如果是Sum個待轉發的數據中的第一個，則Sink節點接收前Betterlink個數據，并保存數據中的Betterlink條路徑信息，然后各路徑以一跳為單位賦予權值1，對于有交叉的路徑，每重復一次，該跳路徑權值加1 ;反之,則Sink節點在接收前Betterlink個數據后，需將這前Betterlink個數據各自經過的路徑信息與保存于Sink中原有路路徑信息比較；如果有不同于原路徑的新的路徑信息，則將本次新獲取的不同于原路徑信息新的路徑信息保存到Sink節點，同時對于相同的路徑，原有路徑相應的各跳路徑權值加1，對于不同的路徑，其各跳路徑權值賦值為1，其交叉部分各跳路徑重復一次，權值加1，并累計增加；如果這這前Betterlink個數據各自經過的路徑信息與保存于Sink中原有路路徑信息相同，則說明骨干網已經形成，剩余數據將沿骨干網轉發。進一步，所述Sinkend象限以外的節點以周期T進入休眠，周期T的計算方法為:該節點與當前轉發數據節點的鄰居節點中能量最大節點差值為EDMax，發送一次數據所需最大能量為EMax，發送一次數據所需最長時間為TMax，則T= (EDMax/EMax) *TMax。進一步，所述利用骨干網轉發數據的方法如下:S22_21:骨干網形成以后，除骨干網以外的所有節點進入休眠，直到接收到重新啟動本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于生物啟發的自適應WSN路由算法，其特征在于：包括以下步驟：S1：若Sink節點為初始Source節點，則初始Source直接將數據轉發到Sink節點；S2：反之，若Sink節點不為初始Source節點的鄰居節點，則沿著從初始Source節點到Sink節點的骨干網轉發數據。

【技術特征摘要】
1.一種基于生物啟發的自適應WSN路由算法，其特征在于:包括以下步驟:51:若Sink節點為初始Source節點，則初始Source直接將數據轉發到Sink節點；52:反之，若Sink節點不為初始Source節點的鄰居節點，則沿著從初始Source節點到Sink節點的骨干網轉發數據。2.根據權利要求1所述的一種基于生物啟發的自適應WSN路由算法，其特征在于:所述S2中沿著從初始Source節點到Sink節點的骨干網轉發數據，其中骨干網的獲取方式包括以下兩種:521:查詢初始Source節點是否記錄有從Source節點到Sink節點的骨干網信息,如果有該記錄信息則續用此骨干網轉發數據；522:如果沒有該記錄信息時則需要先建立以初始Source節點為相對坐標原點的笛卡爾坐標系，然后在Sink節點所在的Sinkend象限構建骨干網，再利用該構建的骨干網轉發數據。3.根據權利要求2所述的一種基于生物啟發的自適應WSN路由算法，其特征在于:所述骨干網按以下方法構建:S22-11:初始Source節點轉發第一份數據時，先判斷Sink節點所在的象限，記為Sinkend象限,不在Sinkend象限內的所有節點進入休眠狀態,經過周期T之后重新啟動；然后再在Sinkend象限查找其鄰居節點，并向所有查詢到的節點轉發數據；如果未查詢到任何節點信息，則表明在Source通信范圍內，在Sinkend象限中沒有Source節點的鄰居節點，這時初始Source節點向其所有鄰居節點發送重新啟動指令，然后采用邊界轉發策略，找到下一跳節點，下一跳成為 初始Source節點，再按照本算法發送數據；S22-12:當選節點接收數據，并且只接收第一個轉發到該節點的數據，然后將該數據所經過的路徑信息記錄在數據中，再轉發給下一節點；對于后續數據按此規則循環轉發；S22-13:對于到達Sink節點的數據，如果是Sum個待轉發的數據中的第一個，則Sink節點接收前Better 1 ink個數據，并保存數據中的Better 1 ink條路徑信息,然后各路徑以一跳為單位賦予權值1，對于...

【專利技術屬性】
技術研發人員：屈洪春，王文銅，王平，唐曉銘，蹇霜，
申請(專利權)人：重慶郵電大學，
類型：發明
國別省市：