一种能量感知型分布式分簇路由协议设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及能量采集型无线传感网路由协议设计领域，尤其设及一种能量感知型 分布式分簇路由协议设计方法。
【背景技术】
[0002] 无线传感网被广泛地应用到环境监测，工业控制和跟踪等领域。近些年来，能量采 集型无线传感网由于其能够突破传统无线传感网电池容量的限制而得到广泛关注。由于能 量采集型无线传感网的许多特性(例如节点能量分布不均衡，无限的能量供应，对环境敏感 等），传统无线传感网中原有的路由协议已不再适用。为能量采集型无线传感网设计适用的 路由协议是本发明的研究背景。
[0003] 在能量采集型无线传感网的分簇路由协议设计中，如何精确预测节点的采集能量 是要解决的关键问题之一。通过预测节点的采集能量，提高选择有较强采集能力的节点做 簇首的概率，同时降低选择有较弱采集能力的节点做簇首的概率，进而达到平衡节点能量 消耗，提高网络性能的目的。基于太阳能的能量采集型无线传感网是应用最广泛的一类能 量采集型无线传感网。而太阳能福射在时间上的相关性也为对节点采集特性的预测提供了 可能。
[0004] 本发明考虑基于太阳能的能量采集型无线传感网中的分布式分簇路由协议设计 问题。如何对节点采集的太阳能进行预测，改进现有协议使之适用于能量采集型无线传感 网是本发明的关注点。针对太阳能预测，前人已经提出了很多预测模型，但是很少有人将预 测模型运用到无线传感网的路由设计中。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是为能量采集型无线传感网提出的一种能量感知型分布式分簇路 由协议设计方法，通过构建一个基于神经网络的太阳能预测模型，使每个传感器节点具有 预测自身短期内采集能量的能力，而预测能量将被用到选择簇首的过程中。通过本发明方 法使得剩余能量和预测能量高的节点有更高的几率成为簇首，有更强的均衡网络节点能量 消耗的能力，同时能够提高网络的吞吐量。
[0006] 本发明提供的能量感知型分布式分簇路由协议设计方法，实现步骤如下：
[0007] 步骤1，采集网络中各传感器节点在设定时间段内采集的太阳能能量，建立太阳能 预测矩阵；
[000引太阳能预测矩阵中，每一列代表一天中的不同小时，矩阵的每一行代表不同的天； 标记节点i在第r轮中第d天采集的太阳能能量为EharvQ，d，r)，标记节点i在第r轮中第d天 的预测能量为EpreQ，d，;r);
[0009]对于给定的天数和轮数，节点i在第r轮中第d天的预测能量Epre(i，d，r)表示为节 点i在第r轮中当天之前n天采集的太阳能能量和之前k轮中第d天采集到的太阳能能量的函 数fANN，表示为：
[0010] EpreQ，d,;r) =fANN化har^i，d-l ,r) ,Eharv(i，d-2,;r),. . . ,Ehar^i ,d-n'r),
[00"] Eharv(i，d,;r-l),Eharv(i，d,;r-2),. . . ,Eharv(i，d,;r-k))
[001 ^ 函数fANN中，包含n+k个参数。
[0013] 步骤2,训练太阳能预测模型，太阳能预测模型为一个具有n+k个输入节点和I个输 出节点的神经网络；
[0014] 神经网络的n+k个输入节点对应函数fANN中的n+k个参数，神经网络的输出节点对 应函数fANN中的Epre(i，d，r);设定测试精度，用存储的太阳能预测矩阵中数据对神经网络进 行训练，将训练好的神经网络用作所有传感器节点的太阳能预测模型。
[001引步骤3,将步骤2得到的太阳能预测模型运用到分布式分簇路由协议中去；
[0016] 分布式分簇路由协议按轮进行，每轮分为两个阶段:建立阶段和稳定状态阶段;在 每一轮的建立阶段，节点i WP( i，d，r)的概率选取自身作为簇首；
[0017] 节点i选取自身成为簇首的概率P(i，d，r)定义为：
[0019] 其中，EQ，d，;r-l)表示节点i在第r-l轮的第d天结束时刻的剩余能量，EpreQ，d，;r) 表示节点i在第r轮的第d天的预测能量，Etx化,dibs)表示节点i传输化k特数据到距离dibs的 基站所消耗的能量，P为本轮期望的簇的数目与网络中所有节点数目之比，a和e是权重因 子，取值范围均为(〇，1)。
[0020] 步骤4,簇首向所有非簇首节点发布广播信息，每个非簇首节点W到达簇首需要消 耗的通信能量最少为标准决定本轮要加入的簇。
[0021] 所有非簇首节点都做出决定后，簇首发送给其成员节点TDMA调度信息;所有成员 节点收到TDMA调度信息W后，建立阶段结束，稳定状态阶段开始进行。
[0022] 对于处于睡眠状态的节点将不加入任何簇，它们将保持睡眠状体直至唤醒，然后 等待基站发送新一轮开始的消息，在收到新一轮开始的消息后，将加入簇首选举过程。
[0023] 本发明的优点与积极效果在于:本发明公开的能量感知型分布式分簇路由协议设 计方法，通过构建一个基于神经网络的太阳能预测模型，通过改进簇首选举机制，使分簇路 由协议具有更好的平衡网络节点能量消耗的能力。本发明方法适用于基于太阳能的能量采 集型无线传感网，在均衡网络节点能量消耗的能力的同时，具有良好的提高网络的吞吐量 性能的优点。
【附图说明】
[0024] 图1为本发明的能量感知型分布式分簇路由协议设计方法的流程示意图；
[0025] 图2为本发明路由协议设计方法所使用的太阳能预测矩阵的部分示意图；
[0026] 图3为本发明实施例所构建的基于神经网络的太阳能预测模型示意图；
[0027] 图4为本发明实施例仿真实验得到的太阳能预测结果示意图；
[0028] 图5为本发明实施例在指标为可用传感器节点个数时的性能对比图；
[0029] 图6为本发明实施例在指标为平均网络吞吐量时的性能对比图。
【具体实施方式】
[0030] 下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可 W根据运些附图获得其他附图。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部 的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获 得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
[0031] 本发明提供的能量感知型分布式分簇路由协议设计方法，适用于基于太阳能的能 量采集型无线传感网，整体步骤如图1所示，下面对各步骤进行具体说明。
[0032] 步骤1，将网络中各传感器节点在一段时期内采集的太阳能能量值存到一个矩阵 中，矩阵称为太阳能预测矩阵。太阳能预测矩阵的每一列代表一天中的不同小时，矩阵的每 一行代表不同的天。对于给定的天数和轮数，认为节点在运一轮中能采集到的平均能量是 之前n天在运一轮采集到的能量和当天在之前k轮采集到的能量的函数，即：
[0033] EpreQ ,d'r) =fANN化har^i，d-l ,r) ,EharvQ，d-2,;r),,Ehar^i ,d-n'r),
[0034] Ehar^i，d,;r-l),Eharv(i，d,;r-2),. . . ,Ehar^i'd'r-k))
[0035] 其中，EharvQ，d，;r)和EpreQ，d，;r)分别是节点i在第d天第r轮中的采集能量和预测 能量。函数fANN中，包含n+k个输入参数，输出Epre(i，d，r)。n、k均为正整数。
[0036] 图1为本发明实施例提供的某个节点在第k轮的太阳能预测矩阵的部分数据，图中 标"?"的地方表示待预测的太阳能能量值。对于每个传感器节点，每一轮数据采集都建立一 个太阳能预测矩阵。
[0037] 步骤2，训练生成一个太阳能预测模型。
[0038] 选取一个具有n+k个输入节点、1个输出节点W及若干个隐藏节点的神经网络模型 作为太阳