JP7362088B1 - Distributed, entropy-efficient, energy-saving cluster-based routing method for SDWSN - Google Patents
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Abstract
【課題】SDWSN向けの分散型・エントロピー高効率化・省エネのクラスタベースルーティング方法を提供する。【解決手段】方法は、ネットワークノードが、閾値条件式により一時的なクラスタヘッドを選び、ノード情報をクラスタヘッドより基地局に送信し、基地局が、ホタルアルゴリズムによってクラスタヘッドを選択し、個体群多様性の位置更新ポリシーに基づいて個体の位置を更新し、カレントの大域的最適解Cbestを得て、重力探索と生物地理学ベースの最適化を組み合わせたアルゴリズムを利用してさらに探索し、大域的最適解を得て、エネルギーが最大のノードを選び出し、基地局が、大域的最適解に基づいてクラスタヘッド・ローテーションテーブルを計算し、フローテーブル情報にロードしてノードに配り、各ノードが、情報を受信及び記憶し、各クラスタからエネルギーが最高のノードをクラスタヘッドとして選び出す。【選択図】図1The present invention provides a distributed, entropy-enhanced, and energy-saving cluster-based routing method for SDWSN. [Solution] In this method, a network node selects a temporary cluster head using a threshold conditional expression, transmits node information from the cluster head to a base station, and the base station selects a cluster head using a firefly algorithm to create a population. Update the position of the individual based on the diversity position update policy, obtain the current global optimal solution Cbest, further explore using an algorithm that combines gravity search and biogeography-based optimization, and The base station calculates the cluster head rotation table based on the global optimal solution, loads it into the flow table information and distributes it to the nodes, and each node It receives and stores information and selects the node with the highest energy from each cluster as the cluster head. [Selection diagram] Figure 1
Description
本発明は、ソフトウェア定義無線センサの技術分野に関し、特に、SDWSN向けの分散型・エントロピー高効率化・省エネのクラスタベースルーティング方法に関する。 The present invention relates to the technical field of software-defined wireless sensors, and in particular to a distributed, entropy-efficient, and energy-saving cluster-based routing method for SDWSNs.
無線センサネットワーク(WSN、wireless sensor network)には、一般に1つの基地局と多くのセンサノードが配置される。配置コストが安く、利益が高いという特徴から、WSNは急速な発展と幅広い普及を遂げている。しかしWSNには、ネットワークリソースの制限、ネットワークの管理の柔軟性の不足とルーティングアルゴリズムの局所的有効性などの問題がある。前記問題を解決するためのソフトウェア定義無線センサネットワーク(SDWSN、software defined wireless sensor network)は、ソフトウェア定義技術をWSNに用いて、データプレーンとコントロールプレーンを分離させる。SDWSNは、集中管理及びプログラマビリティによって、ネットワークの柔軟性を向上させ、且つ、異種の高速相互接続、柔軟で効率的なセンシング及び動的で信頼性の高いルーティングをサポートしている。 A wireless sensor network (WSN) typically includes one base station and many sensor nodes. Due to the characteristics of low deployment cost and high profit, WSN has achieved rapid development and wide spread. However, WSNs have problems such as limited network resources, lack of flexibility in network management, and local effectiveness of routing algorithms. To solve the above problem, a software defined wireless sensor network (SDWSN) uses software defined technology in WSN to separate data plane and control plane. SDWSN improves network flexibility through centralized management and programmability, and supports heterogeneous high-speed interconnections, flexible and efficient sensing, and dynamic and reliable routing.
SDWSNは、省エネ、ネットワーク寿命の延長などの大きなチャレンジに直面している。そのために、WSN向けのクラスタベースルーティング方法がSDWSNに用いられるようになり、主にLEACH、DEEC、SEPなどである。クラスタベースルーティングでは、センサノードを異なるクラスタに分けて、各クラスタは、クラスタメンバーの情報を収集し基地局に伝送するクラスタヘッドを1つ有し、この方式によりSDWSNは良好な拡張性及び堅牢性を有している。LEACHでは、クラスタヘッドをランダムに選ぶため、ネットワーク負荷が比較的バランスがとれているが、クラスタヘッドを頻繁に選択するのは、エネルギーの無駄をもたらす。DEECでは、クラスタヘッドを選ぶ時にノードの残留エネルギーを考慮するため、ネットワークのライフサイクルが延長されるが、データの伝送に遅延が生じてしまう。Samayveerらが、重み付き当選確率及び閾値関数によってクラスタヘッドを選ぶ、ネットワークの異種性を説明するためのWSNに用いる3レベルの異種ネットワークモデルを提案している。LEACH-Oは、GA及びLEACHに基づいて、エネルギー効率を高めるとともに、WSNの寿命を延長させている。EADEECは、DEECに基づいて、クラスタのデータ伝送、ノードのライフタイム及び安定性について改善している。Sixuらが、SDWSNに対し、粒子群最適化(PSO、particle swarm optimization)を採用してクラスタヘッドと基地局の相対位置を計算し、ABCに基づく経路探索アルゴリズムで基地局の移動経路を設計することで、センサノードのエネルギーコストを低減させている。 SDWSN faces major challenges such as energy conservation and network lifetime extension. To this end, cluster-based routing methods for WSNs have come to be used in SDWSNs, mainly LEACH, DEEC, SEP, etc. In cluster-based routing, sensor nodes are divided into different clusters, and each cluster has one cluster head that collects information of cluster members and transmits it to the base station, and this method makes SDWSN have good scalability and robustness. have. In LEACH, cluster heads are randomly selected, so the network load is relatively balanced, but frequently selecting cluster heads results in wasted energy. DEEC considers the residual energy of a node when selecting a cluster head, which extends the life cycle of the network, but causes a delay in data transmission. Samayveer et al. proposed a three-level heterogeneous network model for use in WSNs to account for network heterogeneity, which selects cluster heads by weighted winning probabilities and threshold functions. LEACH-O is based on GA and LEACH to increase energy efficiency and extend the lifetime of WSN. EADEEC is based on DEEC with improvements in cluster data transmission, node lifetime and stability. For SDWSN, Sixu et al. adopted particle swarm optimization (PSO) to calculate the relative position of the cluster head and base station, and designed the movement path of the base station using an ABC-based route search algorithm. This reduces the energy cost of sensor nodes.
近年、クラスタベースルーティング方法のクラスタリング工程を改善するのに多くのスマート最適化アルゴリズムが利用され、動物の集団行動をシミュレートして複雑な最適化問題を近似的に解決する。スマート最適化アルゴリズムは、遺伝的アルゴリズム(GA、genetic algorithm)、ホタルアルゴリズム(FA、firefly algorithm)、人工蜂コロニーアルゴリズム(ABC、artificial bee colony algorithm)などを含む。GAは収束速度が早いが、局所的探索には適さず、FAはGAよりパラメータが少なく、ABCは大域的探索及び収束速度に優位性を持っている。そのうち、FAとABCの方がクラスタベースルーティング方法で実現しやすい。スマート最適化アルゴリズムには求解の精度が低く、局所的最適解に収束しており、探索空間範囲が小さいなどの問題がある。羅剣らがIFCEERを提案しており、当該アルゴリズムは、高エネルギーノードのクラスタリングにFAを用いることで、複数のクラスタリングに消費するエネルギーを低減しているが、収束速度が遅く、求解の精度が低いなどの問題がある。余修武らが、アルゴリズムが局所的最適解に終わるのを避けるFFACMを提案しているが、初期クラスタセンターの設定が不正確であるという欠点はある。Liminと彼のチームがベイズに基づくPSOアルゴリズムを研究しており、当該アルゴリズムは、ベイズの定理の確率密度関数に基づいてパラメータを設定する一方、局所的最適解の問題が避けられず、複雑な多重最小化問題では特に目立っている。HFPSOは、FAとPSOを組み合わせて、カレントの大域的ベストフィットネスの値をチェックすることにより探索プロセスの開始を決定する。PitchaimanickamらがHFAPSOを提案しており、当該アルゴリズムは、HFPSOをLEACH-Cの最適なクラスタヘッドの選択に用いることで、ホタルの大域的探索能力を向上させている。DEEC-FAでは、FAをエネルギーパラメータを有する組み合わせた状態の論理モデルに適用することで、分散型サービス拒否(DDoS、distributed denial of service)攻撃を検出するために用いる。CharanらがFAとBBOを用いてソフトウェア製品ラインに特徴の選択を行う。ShrivastavaらがPSOGWOを提案しており、当該アルゴリズムは、ハイイロオオカミ最適化アルゴリズム(GWO、grey wolf optimizer)とPSOを組み合わせることで、アルゴリズムの実現に要する計算時間を大幅に低減させている。 In recent years, many smart optimization algorithms have been utilized to improve the clustering process of cluster-based routing methods, simulating the collective behavior of animals to approximately solve complex optimization problems. Smart optimization algorithms include genetic algorithms (GA), firefly algorithms (FA), artificial bee colony algorithms (ABC), and the like. Although GA has a fast convergence speed, it is not suitable for local search, FA has fewer parameters than GA, and ABC has an advantage in global search and convergence speed. Of these, FA and ABC are easier to implement using the cluster-based routing method. Smart optimization algorithms have problems such as low solution accuracy, convergence to a locally optimal solution, and small search space range. Luo Jian et al. have proposed IFCEER, which reduces the energy consumed for multiple clustering by using FA to cluster high-energy nodes, but the convergence speed is slow and the accuracy of solution is low. There are problems such as low Yu Shutake et al. have proposed FFACM, which avoids the algorithm from ending up with a locally optimal solution, but it has the drawback that the initial cluster center setting is inaccurate. Limin and his team are researching a Bayesian-based PSO algorithm, which sets parameters based on the probability density function of Bayes' theorem, but where the problem of local optima is unavoidable and complex. This is especially noticeable in multiple minimization problems. The HFPSO determines the start of the search process by checking the current global best fitness value in combination with the FA and PSO. Pitchaimanickam et al. have proposed HFAPSO, and this algorithm improves the global search ability of fireflies by using HFAPSO to select the optimal cluster head for LEACH-C. DEEC-FA is used to detect distributed denial of service (DDoS) attacks by applying FA to a combined state logic model with energy parameters. Charan et al. use FA and BBO to select features for a software product line. Shrivastava et al. have proposed PSOGWO, which significantly reduces the calculation time required to realize the algorithm by combining a gray wolf optimization algorithm (GWO, gray wolf optimizer) and PSO.
本発明は、従来技術の欠点に対し、SDWSN向けの分散型・エントロピー高効率化・省エネのクラスタベースルーティング方法を提供し、ネットワークのライフサイクルを延長させ、エネルギー利用率を高めることができる。 Overcoming the shortcomings of the prior art, the present invention provides a distributed, entropy-efficient, and energy-saving cluster-based routing method for SDWSNs, which can extend the network life cycle and increase the energy utilization rate.
SDWSN向けの分散型・エントロピー高効率化・省エネのクラスタベースルーティング方法であって、
1-1)ネットワークノードは、閾値条件式(1)によって一時的なクラスタヘッドを選び出し、ノード情報をクラスタヘッドによって基地局に送信するステップであって、
A distributed, entropy-enhanced, and energy-saving cluster-based routing method for SDWSN,
1-1) The network node selects a temporary cluster head according to the threshold conditional expression (1), and transmits node information to the base station by the cluster head,
式中、N個のセンサノードsi(i=1,2…N)であり、Cは、クラスタヘッドにならなかったノード群を表し、rは、カレントの反復ラウンド数であり、modは、モジュロ演算子であり、H(Eni)は、ノードの相対エネルギーエントロピーであり、 where N sensor nodes s i (i=1,2...N), C represents a group of nodes that did not become cluster heads, r is the current iteration round number, and mod is is the modulo operator, H(En i ) is the relative energy entropy of the node,
式中、kは、期待されるクラスタ数の割合であり、Eni(r)は、センサノードsiのrラウンドでの残留エネルギーであり、
rラウンドのネットワークの平均エネルギーを表すステップと、
where k is the expected proportion of the number of clusters, En i (r) is the residual energy of sensor node s i in r rounds,
representing the average energy of the network for r rounds;
1-2)基地局は、ホタルアルゴリズムによってクラスタヘッドを選択し、式(3)に示す個体群多様性の位置更新ポリシーに基づいて個体の位置を更新して、カレントの大域的最適解Cbestを得るステップであって、 1-2) The base station selects a cluster head using the firefly algorithm, updates the location of the individual based on the population diversity location update policy shown in equation (3), and determines the current global optimal solution C best The step of obtaining
式中、ci、cjは、ホタルi、jの空間位置を表し、nは、反復ラウンド数であり、βは、光吸収係数であり、γ0は、ホタルの最大吸引度であり、rijは、ユークリッド距離であり、
where c i , c j represent the spatial positions of fireflies i, j, n is the number of repetition rounds, β is the light absorption coefficient, γ 0 is the maximum attraction degree of fireflies, r ij is the Euclidean distance;
1-3)重力探索アルゴリズムと生物地理学ベースの最適化を組み合わせたアルゴリズムを利用してCbestに対してさらに探索して、大域的最適解Gbestを得て、即ち、エネルギーが最大のノード位置であるステップと、 1-3) Further search for C best using an algorithm that combines gravity search algorithm and biogeography-based optimization to obtain global optimal solution G best , that is, find the node with the maximum energy. a step that is a position;
1-4)基地局は、Gbestに基づいてクラスタヘッド・ローテーションテーブルを計算し、フローテーブル情報にロードしてノードに配り、各ノードは、情報を受信及び記憶し、各クラスタからエネルギーが最高のノードをクラスタヘッドとして選び出すステップとを含む。 1-4) The base station calculates the cluster head rotation table based on G best , loads it into the flow table information and distributes it to the nodes, each node receives and stores the information, and selects the highest energy from each cluster. selecting the node as the cluster head.
前記ステップ1-1)で、ネットワークノードは、データ層に位置し、ネットワークノードは、閾値条件式(1)によってクラスタヘッドになる確率を評価し、0から1の間で条件付き確率として1つの乱数を抽出し、当該条件付き確率より小さい場合に、ノードは、自身を一時的なクラスタヘッドとして選択し、ノードと基地局の距離がノードとクラスタヘッドの距離より大きい場合に、自身の位置情報、残留エネルギー情報及びトポロジ情報データを直接基地局に伝送し、そうでなければ、クラスタヘッドによってデータを基地局に伝送し、クラスタヘッドは、データの受信、融合及び転送の機能だけを実行する。 In the step 1-1), the network node is located in the data layer, and the network node evaluates the probability of becoming a cluster head according to the threshold conditional expression (1), and sets one conditional probability between 0 and 1. If the random number is smaller than the conditional probability, the node selects itself as the temporary cluster head, and if the distance between the node and the base station is greater than the distance between the node and the cluster head, the node selects itself as the temporary cluster head. , residual energy information and topology information data directly to the base station, otherwise data is transmitted to the base station by the cluster head, and the cluster head only performs the functions of receiving, merging and forwarding data.
前記ステップ1-2)で、ホタルアルゴリズムを用いるステップは、次のとおりである。
2-1)パラメータの個体群規模N、初期ステップサイズ因子α、初期個体群多様性指数β0、最大反復回数maxIterateを初期化し、
2-2)相対エネルギーエントロピーに基づいて初期個体群C0を構築し、式(4)によって計算してホタルの輝度Iを並べ替え、最大蛍光輝度を有する個体の位置は、即ちカレントの大域的最適解Cbestであり、
The step of using the firefly algorithm in step 1-2) is as follows.
2-1) Initialize the parameters population size N, initial step size factor α, initial population diversity index β 0 , and maximum number of iterations maxIterate,
2-2) Build an initial population C 0 based on relative energy entropy, calculate by equation (4) and rearrange the firefly brightness I, and the position of the individual with the maximum fluorescence brightness is determined based on the current global The optimal solution C best is
式中、I0は、ホタルの最大蛍光輝度であり、 where I 0 is the maximum fluorescence brightness of the firefly,
式中、cik、cjkは、ホタルi、jのw番目の次元における座標であり、
ホタルの吸引度γは、
In the formula, c ik and c jk are the coordinates of fireflies i and j in the w-th dimension,
The firefly attraction degree γ is
であり、 and
2-3)個体群多様性の位置更新ポリシー、即ち式(3)によってホタルの位置を更新し、
式(9)に示すとおりであり、式(6)によってホタル間の吸引度を更新し、同時にCbestを更新し、
2-3) Population diversity position update policy, that is, update the firefly position according to equation (3),
As shown in Equation (9), the degree of attraction between fireflies is updated by Equation (6), and at the same time C best is updated,
であり、 and
2-4)反復回数nがmaxIterateに達したら、アルゴリズムを停止してカレントのCbestを出力し、そうでなければ、ステップ2-2)~2-3)を繰り返し実行する。 2-4) When the number of iterations n reaches maxIterate, stop the algorithm and output the current C best ; otherwise, repeat steps 2-2) to 2-3).
本発明の有益な効果は、次のとおりである。
従来技術の欠点に対し、SDWSN向けの分散型・エントロピー高効率化・省エネのクラスタベースルーティング方法(DHEEC、distributed high-efficiency entropy energy-saving cluster routing algorithm)を提案し、エネルギーエントロピーと、ホタルアルゴリズムと生物地理学ベースの最適化的を組み合わせて設計した最適化アルゴリズムをクラスタヘッドの選択に用いる。当該方法は、ネットワークのライフサイクルを延長させ、エネルギー利用率を高めることができる。
The beneficial effects of the present invention are as follows.
To address the shortcomings of the conventional technology, we proposed a distributed high-efficiency entropy energy-saving cluster-based routing algorithm (DHEEC) for SDWSNs, and improved energy efficiency. P and firefly algorithm An optimization algorithm designed by combining biogeography-based optimization is used for cluster head selection. The method can extend the life cycle of the network and increase the energy utilization rate.
以下、図面と実施例を用いて本発明をさらに説明する。 The present invention will be further explained below using drawings and examples.
SDWSN向けの分散型・エントロピー高効率化・省エネのクラスタベースルーティング方法であって、当該発明のフローチャートである図1に示すように、センサノードは、データ層に位置し、自身の位置情報、残留エネルギー情報及びトポロジ情報をクラスタヘッドによって基地局に送信する。基地局は、コントロール層に位置し、クラスタヘッド・ローテーションテーブルを計算し、フローテーブル情報にロードしてクラスタヘッドに配る。 This is a distributed, entropy-efficient, energy-saving cluster-based routing method for SDWSN.As shown in FIG. Energy information and topology information are sent to the base station by the cluster head. The base station is located at the control layer, calculates the cluster head rotation table, loads the flow table information and distributes it to the cluster heads.
当該方法は、次のステップを含む。
1-1)ネットワークノードは、閾値条件式(1)によって一時的なクラスタヘッドを選び出し、ノード情報をクラスタヘッドによって基地局に送信し、
The method includes the following steps.
1-1) The network node selects a temporary cluster head using the threshold conditional expression (1), transmits node information to the base station by the cluster head,
式中、N個のセンサノードsi(i=1,2…N)であり、Cは、クラスタヘッドにならなかったノード群を表し、rは、カレントの反復ラウンド数であり、modは、モジュロ演算子であり、H(Eni)は、ノードの相対エネルギーエントロピーであり、 where N sensor nodes s i (i=1,2...N), C represents a group of nodes that did not become cluster heads, r is the current iteration round number, and mod is is the modulo operator, H(En i ) is the relative energy entropy of the node,
式中、kは、期待されるクラスタ数の割合であり、Eni(r)は、センサノードsiのrラウンドでの残留エネルギーであり、 where k is the expected proportion of the number of clusters, En i (r) is the residual energy of sensor node s i in r rounds,
1-2)基地局は、ホタルアルゴリズムによってクラスタヘッドを選択し、式(3)に示す個体群多様性の位置更新ポリシーに基づいて個体の位置を更新して、カレントの大域的最適解Cbestを得て、 1-2) The base station selects a cluster head using the firefly algorithm, updates the location of the individual based on the population diversity location update policy shown in equation (3), and determines the current global optimal solution C best obtained,
式中、
During the ceremony,
1-3)重力探索アルゴリズムと生物地理学ベースの最適化を組み合わせたアルゴリズムを利用してCbestに対してさらに探索して、大域的最適解Gbestを得て、即ち、エネルギーが最大のノード位置であり、 1-3) Further search for C best using an algorithm that combines gravity search algorithm and biogeography-based optimization to obtain global optimal solution G best , that is, find the node with the maximum energy. location,
1-4)基地局は、Gbestに基づいてクラスタヘッド・ローテーションテーブルを計算し、フローテーブル情報にロードしてノードに配り、各ノードは、情報を受信及び記憶し、各クラスタからエネルギーが最高のノードをクラスタヘッドとして選び出す。 1-4) The base station calculates the cluster head rotation table based on G best , loads it into the flow table information and distributes it to the nodes, each node receives and stores the information, and selects the highest energy from each cluster. select the node as the cluster head.
前記ステップ1-1)で、ネットワークノードは、データ層に位置し、ネットワークノードは、閾値条件式(1)によってクラスタヘッドになる確率を評価し、0から1の間で条件付き確率として1つの乱数を抽出し、当該条件付き確率より小さい場合に、ノードは、自身を一時的なクラスタヘッドとして選択する。ノードと基地局の距離がノードとクラスタヘッドの距離より大きい場合に、自身の位置情報、残留エネルギー情報及びトポロジ情報データを直接基地局に伝送し、そうでなければ、クラスタヘッドによってデータを基地局に伝送し、クラスタヘッドは、データの受信、融合及び転送の機能だけを実行する。 In the step 1-1), the network node is located in the data layer, and the network node evaluates the probability of becoming a cluster head according to the threshold conditional expression (1), and sets one conditional probability between 0 and 1. A random number is extracted, and if it is smaller than the conditional probability, the node selects itself as a temporary cluster head. When the distance between the node and the base station is larger than the distance between the node and the cluster head, it transmits its own location information, residual energy information, and topology information data directly to the base station; otherwise, the cluster head transmits the data to the base station. The cluster head only performs the functions of receiving, merging and forwarding data.
前記ステップ1-2)で、改善されたホタルアルゴリズムを用いるステップは、次のとおりである。 The steps of using the improved firefly algorithm in step 1-2) are as follows.
2-1)パラメータの個体群規模N、初期ステップサイズ因子α、初期個体群多様性指数β0、最大反復回数maxIterateなどを初期化し、
2-2)相対エネルギーエントロピーに基づいて初期個体群C0を構築し、式(4)によって輝度を計算して並べ替え、最大蛍光輝度を有する個体の位置は、即ちカレントの大域的最適解Cbestであり、
2-1) Initialize parameters such as population size N, initial step size factor α, initial population diversity index β 0 , maximum number of iterations maxIterate, etc.
2-2) Build an initial population C 0 based on the relative energy entropy, calculate the brightness according to equation (4) and rearrange it, and the position of the individual with the maximum fluorescence brightness is the current global optimal solution C It is the best ,
式中、I0は、ホタルの最大蛍光輝度であり、βは、光吸収係数であり、rijは、ユークリッド距離であり、 where I 0 is the maximum fluorescence brightness of the firefly, β is the light absorption coefficient, r ij is the Euclidean distance,
式中、ci、cjは、ホタルi、jの空間位置を表し、cik、cjkは、ホタルi、jのw番目の次元における座標である。 where c i , c j represent the spatial positions of fireflies i, j, and c ik , c jk are the coordinates of fireflies i, j in the wth dimension.
式中、γ0は、ホタルの最大吸引度である。 where γ 0 is the maximum attraction of fireflies.
2-3)個体群多様性の位置更新ポリシー、即ち式(3)によってホタルの位置を更新し、
式(9)に示すとおりであり、式(6)によってホタル間の吸引度を更新し、同時にCbestを更新し、
2-3) Population diversity position update policy, that is, update the firefly position according to equation (3),
As shown in Equation (9), the degree of attraction between fireflies is updated by Equation (6), and at the same time C best is updated,
計算式が、 The calculation formula is
であり、 and
2-4)反復回数nがmaxIterateに達したら、アルゴリズムを停止してカレントのCbestを出力し、そうでなければ、ステップ2-2)~2-3)を繰り返し実行する。 2-4) When the number of iterations n reaches maxIterate, stop the algorithm and output the current C best ; otherwise, repeat steps 2-2) to 2-3).
(実施例)
当業者が本発明を理解及び実施しやすいように、本発明に記載の方法の具体的な実施例を示す。SDWSN向けの分散型・エントロピー高効率化・省エネのクラスタベースルーティング方法の構想は、エネルギーエントロピーと、ホタルアルゴリズムと生物地理学ベースの最適化的を組み合わせて設計した最適化アルゴリズムをクラスタヘッドの選択に用いることである。当該方法は、ネットワークのライフサイクルを延長させ、エネルギー利用率を高めることができる。
(Example)
To help those skilled in the art understand and practice the invention, specific examples of the methods described in the invention are presented. The concept of a distributed, entropy-enhancing, and energy-saving cluster-based routing method for SDWSN is to select cluster heads using an optimization algorithm designed by combining energy entropy, firefly algorithm, and biogeography-based optimization. It is to use. The method can extend the life cycle of the network and increase the energy utilization rate.
ソフトウェアmatlab2018aを用いて、SDWSNネットワークモデルを確立し、当該ネットワークモデルは、次の特徴を有する。100個のネットワークノードがランダムに100m×100mのエリアに分布し、基地局はエリアの中心に位置し、基地局とクラスタヘッドはOpenFlowプロトコルに基づいてデータ情報を交換し、ノードのハードウェアとソフトウェア構成が同じであり、いずれも一意の番号を有し、位置が固定しており、ネットワークのリンクは対称であり、基地局の計算速度及びデータ伝送能力はセンサノードを上回っている。ネットワークシミュレーションパラメータの一部は、表1に示すとおりである。 An SDWSN network model was established using the software matlab2018a, and the network model has the following characteristics. 100 network nodes are randomly distributed in an area of 100m x 100m, the base station is located at the center of the area, the base station and cluster head exchange data information based on the OpenFlow protocol, and the nodes' hardware and software The configuration is the same, each has a unique number, the location is fixed, the network links are symmetrical, and the calculation speed and data transmission capacity of the base station exceeds that of the sensor node. Some of the network simulation parameters are shown in Table 1.
表1
表1:ネットワークシミュレーションパラメータ
Table 1
Table 1: Network simulation parameters
ネットワークノードは、閾値条件式(1)によって一時的なクラスタヘッドを選び出し、ノード情報をクラスタヘッドによって基地局に送信し、 The network node selects a temporary cluster head according to the threshold conditional expression (1), transmits node information to the base station by the cluster head,
式中、N個のセンサノードsi(i=1,2…N)であり、Cは、クラスタヘッドにならなかったノード群を表し、rは、カレントの反復ラウンド数であり、H(Eni)は、ノードの相対エネルギーエントロピーであり、 where N sensor nodes s i (i=1, 2...N), C represents a group of nodes that did not become cluster heads, r is the current iteration round number, and H(En i ) is the relative energy entropy of the node,
式中、kは、期待されるクラスタ数の割合であり、ここで、k=0.05であり、Eni(r)は、センサノードsiのrラウンドでの残留エネルギーであり、E(r)は、rラウンドのネットワークの平均エネルギーを表し、
基地局は、ホタルアルゴリズムによってクラスタヘッドを選択し、シミュレーションパラメータの一部は、表2に示すとおりであり、個体群多様性の位置更新ポリシーに基づいて個体の位置を更新して、カレントの大域的最適解Cbestを得る。
where k is the expected proportion of the number of clusters, where k=0.05, En i (r) is the residual energy of sensor node s i in r rounds, and E( r) represents the average energy of the network for r rounds,
The base station selects the cluster head by the firefly algorithm, some of the simulation parameters are as shown in Table 2, and updates the location of the individual based on the population diversity location update policy to update the current global Obtain the optimal solution C best .
表2
表2:ホタルアルゴリズムのシミュレーションパラメータ
重力探索アルゴリズム及び生物地理学ベースの最適化を利用してCbestに対してより精密に探索し、シミュレーションパラメータの一部は、表3に示すとおりである。
Table 2
Table 2: Simulation parameters of firefly algorithm
A gravity search algorithm and biogeography-based optimization were used to search more precisely for C best , and some of the simulation parameters are as shown in Table 3.
表3
表3:重力探索アルゴリズムと生物地理学ベースの最適化のシミュレーションパラメータ
Table 3
Table 3: Simulation parameters of gravity search algorithm and biogeography-based optimization
Cbestに基づいて初期個体群C0を構築し、適合度指標HSIを計算して、並べ替え、カレントの大域的最適解Gbestを更新し、 Build an initial population C 0 based on C best , calculate the fitness index HSI, sort it, and update the current global optimal solution G best ;
式(7)及び式(8)によって生息地の転出住民指数μk及び転入住民指数λkを計算して、移動操作を行い、式(9)によって変異操作を行い、 Calculate the migration resident index μ k and migration resident index λ k of the habitat using equations (7) and (8), perform a movement operation, perform a mutation operation using equation (9),
式中、Skは、現在の個体群の個体数を表し、Smaxは、最大個体群の個体数を表し、Iは、最大住民転入率を表し、Eは、最大住民転出率を表す。 In the formula, S k represents the number of individuals in the current population, S max represents the number of individuals in the maximum population, I represents the maximum resident migration rate, and E represents the maximum resident migration rate.
式中、Mは、最大変異率を表し、Piは、種確率を表し、Pmaxは、最大種確率を表し、ここで、Pmax=Nである。
式(10)によって各個体群の慣性質量を計算し、式(11)によって個体の位置を更新し、
where M represents the maximum mutation rate, P i represents the species probability, and P max represents the maximum species probability, where P max =N.
Calculate the inertial mass of each population using equation (10), update the position of the individual using equation (11),
式中、SIViは、適合度指標変数を表し、Mtは、個体群の慣性質量を表し、best(t)は、カレントの最適解であり、worst(t)は、カレントの最悪解である。 where SIV i represents the fitness index variable, M t represents the inertial mass of the population, best(t) is the current optimal solution, and worst(t) is the current worst solution. be.
反復回数が100に達したら、アルゴリズムを停止してカレントの大域的最適解Cbestを出力する。Gbestは、即ちカレントの反復回数でエネルギーが最大のノードで、クラスタヘッドに選ばれる。 When the number of iterations reaches 100, the algorithm is stopped and the current global optimal solution C best is output. G best , ie, the node with the maximum energy at the current number of iterations, is selected as the cluster head.
ネットワークノードのエネルギーは、アルゴリズムの反復回数の増加につれて減少し、所定の反復回数後に枯渇して、ノード死に至る。ネットワークのノード死数は、ネットワークのライフサイクルを表す。図2は、IFCEER、DEEC-FA及びDHEECの3つのアルゴリズムのネットワークのライフサイクルに対する影響を示す。そのうち、図2の(a)は、最大反復回数が5000ラウンドである時の、IFCEER、DEEC-FA及びDHEECの3つのアルゴリズムのノード死数の変化を示す。IFCEER、DEEC-FA及びDHEECの3つのアルゴリズムの全ノード死のラウンド数が、それぞれ、3754、2000、3568ラウンドであることが示されている。ネットワークの最初のノード死が起こると、基地局の収集する情報は完全でなくなり、アルゴリズムを実行していくのにつれて、死ノード数が増加し、後期に生き残った少数のノードは残留エネルギーが低く、通信能力を失っている。したがって、ネットワークのライフサイクルをより全面的に評価するためには、図2の(b)でIFCEER、DEEC-FA及びDHEECの3つのアルゴリズムの最初のノード死のラウンド数(FND、first node died)、10%ノード死のラウンド数(TND、10% node died)及び全ノード死のラウンド数(LND、last node died)を比較している。IFCEERは高エネルギーノードだけがクラスタヘッドの選択の候補に入るため、FNDとLNDが非常に近く、DEEC-FAのFNDは他の2つのアルゴリズムよりはるかに小さく、アルゴリズムの初期でネットワークの性能低下が大きいことが分かった。ネットワーク全体のエネルギー消費にバランスがとれるよう、TNDをネットワークのライフサイクルと定義し、DHEECのTNDは、IFCEERより約13.89%高められ、DEEC-FAより約41.05%高められている。 The energy of a network node decreases as the number of iterations of the algorithm increases and is exhausted after a given number of iterations leading to node death. The number of dead nodes in a network represents the life cycle of the network. FIG. 2 shows the impact of three algorithms, IFCEER, DEEC-FA and DHEEC, on the network life cycle. Part (a) of FIG. 2 shows the change in the number of dead nodes for three algorithms, IFCEER, DEEC-FA, and DHEEC, when the maximum number of iterations is 5000 rounds. It is shown that the number of rounds of all node death for three algorithms, IFCEER, DEEC-FA, and DHEEC, is 3754, 2000, and 3568 rounds, respectively. When the first node death of the network occurs, the information collected by the base station is no longer complete, and as we run the algorithm, the number of dead nodes increases, and the few nodes that survive in the later stages have low residual energy. They have lost their ability to communicate. Therefore, in order to more comprehensively evaluate the network life cycle, the number of rounds of first node death (FND) of the three algorithms IFCEER, DEEC-FA and DHEEC is shown in Fig. 2(b). , the number of rounds of 10% node death (TND, 10% node died) and the number of rounds of all node death (LND, last node died) are compared. In IFCEER, only high-energy nodes are candidates for cluster head selection, so the FND and LND are very close, and the FND of DEEC-FA is much smaller than the other two algorithms, which means that the network performance degrades at the beginning of the algorithm. It turned out to be big. In order to balance the energy consumption of the entire network, TND is defined as the life cycle of the network, and the TND of DHEEC is approximately 13.89% higher than that of IFCEER and approximately 41.05% higher than that of DEEC-FA.
アルゴリズムを実行するプロセスで、生き残ったメンバーノードは収集したデータをクラスタヘッドに伝送し、クラスタヘッドはまた基地局に伝送し、全てのノードの伝送が完了したら、基地局は当ラウンドで受信したデータパケット数を集計する。したがって、基地局の受信したデータパケット総数でエネルギー利用率を評価し、基地局の受信したデータパケットが多いほど、エネルギーの分布によりバランスがとれている。図3は、IFCEER、DEEC-FA及びDHEECの3つのアルゴリズムが5000ラウンド反復した後の基地局の受信したデータパケット総数の変化を示す。これによって、DHEECは、エネルギー利用率がIFCEERより約31.58%高められ、DEEC-FAより約31.06%高められていると結論付ける。 In the process of executing the algorithm, the surviving member nodes transmit the collected data to the cluster head, and the cluster head also transmits it to the base station, and when the transmission of all nodes is completed, the base station transfers the data received in this round. Total the number of packets. Therefore, the energy utilization rate is evaluated based on the total number of data packets received by the base station, and the more data packets the base station receives, the more balanced the energy distribution is. FIG. 3 shows the change in the total number of data packets received by the base station after the three algorithms IFCEER, DEEC-FA and DHEEC are iterated for 5000 rounds. This concludes that DHEEC has improved energy utilization by about 31.58% over IFCEER and about 31.06% over DEEC-FA.
最後に明言すべきは、上記の実施例が本発明の技術的解決手段を非限定的に説明するためのもので、当業者は前記実施例を参照しながら依然として本発明の特定の実施形態に修正又は同等な置換を行うことができ、本発明の趣旨と範囲から逸脱しないこれらの任意の修正又は同等な置換が、本発明の特許請求の範囲に含まれる。
Finally, it should be stated that the above embodiments are only for explaining the technical solutions of the present invention in a non-limiting manner, and those skilled in the art can still understand the specific embodiments of the present invention with reference to the above embodiments. Modifications or equivalent substitutions may be made, and any such modifications or equivalent substitutions that do not depart from the spirit and scope of the invention are included within the scope of the claims of the invention.
Claims (3)
式中、N個のセンサノードsi(i=1,2…N)であり、Cは、クラスタヘッドにならなかったノード群を表し、rは、カレントの反復ラウンド数であり、modは、モジュロ演算子であり、H(Eni)は、ノードの相対エネルギーエントロピーであり、
式中、kは、期待されるクラスタ数の割合であり、Eni(r)は、センサノードsiのrラウンドでの残留エネルギーであり、
1-2)基地局は、ホタルアルゴリズムによってクラスタヘッドを選択し、式(3)に示す個体群多様性の位置更新ポリシーに基づいて個体の位置を更新して、カレントの大域的最適解Cbestを得るステップであって、
式中、ci、cjは、ホタルi、jの空間位置を表し、
nは、反復ラウンド数であり、
βは、光吸収係数であり、
γ0は、ホタルの最大吸引度であり、
rijは、ユークリッド距離であり、
1-3)重力探索アルゴリズムと生物地理学ベースの最適化を組み合わせたアルゴリズムを利用してCbestに対してさらに探索して、大域的最適解Gbestを得て、即ち、エネルギーが最大のノード位置であるステップと、
1-4)基地局は、Gbestに基づいてクラスタヘッド・ローテーションテーブルを計算し、フローテーブル情報にロードしてノードに配り、各ノードは、情報を受信及び記憶し、各クラスタからエネルギーが最高のノードをクラスタヘッドとして選び出すステップとを含む
ことを特徴とするSDWSN向けの分散型・エントロピー高効率化・省エネのクラスタベースルーティング方法。 1-1) The network node selects a temporary cluster head according to the threshold conditional expression (1), and transmits node information to the base station by the cluster head,
where N sensor nodes s i (i=1,2...N), C represents a group of nodes that did not become cluster heads, r is the current iteration round number, and mod is is the modulo operator, H(En i ) is the relative energy entropy of the node,
where k is the expected proportion of the number of clusters, En i (r) is the residual energy of sensor node s i in r rounds,
1-2) The base station selects a cluster head using the firefly algorithm, updates the location of the individual based on the population diversity location update policy shown in equation (3), and determines the current global optimal solution C best The step of obtaining
In the formula, c i and c j represent the spatial positions of fireflies i and j,
n is the number of iteration rounds,
β is the light absorption coefficient,
γ 0 is the maximum attraction degree of fireflies,
r ij is the Euclidean distance;
1-3) Further search for C best using an algorithm that combines gravity search algorithm and biogeography-based optimization to obtain global optimal solution G best , that is, find the node with the maximum energy. a step that is a position;
1-4) The base station calculates the cluster head rotation table based on G best , loads it into the flow table information and distributes it to the nodes, each node receives and stores the information, and selects the highest energy from each cluster. A distributed, entropy-enhanced, and energy-saving cluster-based routing method for SDWSN, comprising the step of selecting a node as a cluster head.
ネットワークノードは、閾値条件式(1)によってクラスタヘッドになる確率を評価し、0から1の間で条件付き確率として1つの乱数を抽出し、
当該条件付き確率より小さい場合に、ノードは、自身を一時的なクラスタヘッドとして選択し、
ノードと基地局の距離がノードとクラスタヘッドの距離より大きい場合に、自身の位置情報、残留エネルギー情報及びトポロジ情報データを直接基地局に伝送し、
そうでなければ、クラスタヘッドによってデータを基地局に伝送し、クラスタヘッドは、データの受信、融合及び転送の機能だけを実行することを特徴とする請求項1に記載の方法。 In step 1-1), the network node is located in the data layer;
The network node evaluates the probability of becoming a cluster head according to the threshold conditional expression (1), extracts one random number between 0 and 1 as a conditional probability,
If the conditional probability is less than the conditional probability, the node selects itself as the temporary cluster head;
When the distance between the node and the base station is greater than the distance between the node and the cluster head, directly transmitting its own location information, residual energy information, and topology information data to the base station;
The method according to claim 1, characterized in that the data is otherwise transmitted to the base station by the cluster head, the cluster head only performing the functions of receiving, merging and forwarding the data.
2-1)パラメータの個体群規模N、初期ステップサイズ因子α、初期個体群多様性指数β0、最大反復回数maxIterateを初期化し、
2-2)相対エネルギーエントロピーに基づいて初期個体群C0を構築し、式(4)によって計算してホタルの輝度Iを並べ替え、最大蛍光輝度を有する個体の位置は、即ちカレントの大域的最適解Cbestであり、
式中、I0は、ホタルの最大蛍光輝度であり、
式中、cik、cjkは、ホタルi、jのw番目の次元における座標であり、
ホタルの吸引度γは、
であり、
2-3)個体群多様性の位置更新ポリシー、
即ち式(3)によってホタルの位置を更新し、
ρは、式(8)に示す多様性指数βnに基づいて変化する重みで、
式(9)に示すとおりであり、式(6)によってホタル間の吸引度を更新し、同時にCbestを更新し、
式中、|s|は、個体群のサイズを表し、
式中、β0は、初期個体群多様性指数であり、σは、線形減少関数で、計算式が、
であり、
2-4)反復回数nがmaxIterateに達したら、アルゴリズムを停止してカレントのCbestを出力し、そうでなければ、ステップ2-2)~2-3)を繰り返し実行することを特徴とする請求項1に記載の方法。
In step 1-2), as a step of using the firefly algorithm,
2-1) Initialize the parameters population size N, initial step size factor α, initial population diversity index β 0 , and maximum number of iterations maxIterate,
2-2) Build an initial population C 0 based on relative energy entropy, calculate by equation (4) and rearrange the firefly brightness I, and the position of the individual with the maximum fluorescence brightness is determined based on the current global The optimal solution C best is
where I 0 is the maximum fluorescence brightness of the firefly,
In the formula, c ik and c jk are the coordinates of fireflies i and j in the w-th dimension,
The firefly attraction degree γ is
and
2-3) Population diversity location update policy,
That is, update the firefly position using equation (3),
ρ is a weight that changes based on the diversity index β n shown in equation (8),
As shown in Equation (9), the degree of attraction between fireflies is updated by Equation (6), and at the same time C best is updated,
In the formula, |s| represents the population size,
In the formula, β 0 is the initial population diversity index, σ is a linear decreasing function, and the calculation formula is
and
2-4) When the number of iterations n reaches maxIterate, the algorithm is stopped and the current C best is output, otherwise steps 2-2) to 2-3) are repeatedly executed. The method according to claim 1.
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