專利名稱：一種基于節(jié)點(diǎn)位置信息的無(wú)線傳感網(wǎng)路由方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于節(jié)點(diǎn)位置信息的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由方法。
背景技術(shù)：
在對(duì)此方法的研究和實(shí)踐過(guò)程中，本發(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn):WSN(Wireless SensorNetwork)是一種無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)，它由一組傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織方式構(gòu)成，其目的是協(xié)作感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得詳盡準(zhǔn)確的信息，最終將這些信息傳送給需要的用戶。近年來(lái)，WSN路由協(xié)議的研究一直是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)。GAF (geographic adaptive fidelity)算法是由YaXu等人提出來(lái)的以節(jié)點(diǎn)地理位置為依據(jù)的分簇算法。它是基于ad hoc網(wǎng)絡(luò)所提出的一種層次型拓?fù)渌惴?，近年?lái)被引入傳感器網(wǎng)絡(luò)。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，傳感器節(jié)點(diǎn)的無(wú)線通信模塊在空閑狀態(tài)時(shí)的能量消耗和在收發(fā)狀態(tài)時(shí)相當(dāng)，僅通過(guò)優(yōu)化路由協(xié)議節(jié)約能量消耗是非常有限的，所以需要通過(guò)協(xié)調(diào)機(jī)制，關(guān)閉大部分節(jié)點(diǎn)的通信模塊，才能大幅度地降低無(wú)線通信模塊的能量開(kāi)銷。GAF算法將監(jiān)測(cè)區(qū)域劃分為若干虛擬正方形單元格，根據(jù)節(jié)點(diǎn)間的通信半徑確定單元格的大小，將節(jié)點(diǎn)按照位置信息劃入相應(yīng)的單元格；在每個(gè)單元格中定期選舉出一個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)，只有簇頭節(jié)點(diǎn)保持活動(dòng)，與相鄰的四個(gè)單元格進(jìn)行通信，其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，附

圖1所示。仿真試驗(yàn)結(jié)果證明GAF能有 效地節(jié)約能量消耗并延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命期，在節(jié)點(diǎn)密度足夠大以保證網(wǎng)絡(luò)連通時(shí)，網(wǎng)絡(luò)生命期隨著密度的提高線性增加。但是，由于節(jié)點(diǎn)信號(hào)能到達(dá)對(duì)角單元格中的大多數(shù)節(jié)點(diǎn)，所以，只向上下左右四個(gè)鄰居單元格轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的正方形結(jié)構(gòu)并不是最有效的節(jié)能結(jié)構(gòu)。近年，蜂窩(正六邊形)虛擬區(qū)域結(jié)構(gòu)被提出，它將監(jiān)測(cè)區(qū)域劃分為若干個(gè)等邊六邊形。這樣的結(jié)構(gòu)使得數(shù)據(jù)能被傳送到周圍六個(gè)鄰居單元格中，從而覆蓋了更多的鄰居區(qū)域，附圖2所示。通過(guò)理論分析與仿真比較，蜂窩結(jié)構(gòu)能更有效地提高能量使用效率，從而進(jìn)一步延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命期。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種能量高效的傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由方法，可有效的提高能量的利用率，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間，并減少信號(hào)的傳輸延時(shí)。本發(fā)明提供一種能量高效的傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由方法，包括:本發(fā)明根據(jù)LEACH和GAF算法，網(wǎng)絡(luò)初始化后，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的地理位置將監(jiān)測(cè)區(qū)域劃分為虛擬的正六邊形單元格，構(gòu)成一個(gè)蜂窩式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。簇頭選舉與節(jié)點(diǎn)的剩余能量以及與單元格中心的距離有關(guān)，以此可使簇內(nèi)信息收集和主干網(wǎng)絡(luò)通信更加穩(wěn)定,并且避免了每輪簇頭選舉時(shí)所有節(jié)點(diǎn)相互交換能量信息所需的大量開(kāi)銷。具體步驟如下:
I)節(jié)點(diǎn)根據(jù)位置信息和通信半徑將監(jiān)測(cè)區(qū)域劃分為若干虛擬的正六邊形單元格；2)第一輪，單元格內(nèi)各節(jié)點(diǎn)計(jì)算與單元格中心的距離，根據(jù)距離判斷各簇內(nèi)的簇
頭;
3)簇頭選舉成功后，簇頭根據(jù)簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，安排時(shí)隙給本簇的節(jié)點(diǎn)；
4)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)在向簇頭傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，在數(shù)據(jù)包里增加競(jìng)爭(zhēng)能力值3，簇頭將所有節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)能力值P進(jìn)行排序；；
5)簇頭通過(guò)廣播的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)應(yīng)答，在應(yīng)答包內(nèi)將3值高的前幾個(gè)節(jié)點(diǎn)ID號(hào)和^值發(fā)給簇內(nèi)各節(jié)點(diǎn)；
6)下一輪簇頭選舉時(shí)，當(dāng)前簇頭的剩余能量若低于某一閾值，節(jié)點(diǎn)可以很快根據(jù)所保留的信息選出新的簇頭；
7)數(shù)據(jù)傳輸，簇頭數(shù)據(jù)融合后，通過(guò)多跳方式方式把數(shù)據(jù)傳輸給sink節(jié)點(diǎn)；
8)重復(fù)步驟3至步驟7，直至所有節(jié)點(diǎn)能量耗盡。上述步驟1中，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)生成前，在網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)，無(wú)線傳感網(wǎng)中的各節(jié)點(diǎn)為同構(gòu)節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)設(shè)定一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)符ID。根據(jù)節(jié)點(diǎn)的位置信息和通信半徑，將網(wǎng)絡(luò)區(qū)域劃分若干虛擬的正六邊形單元格，形成了蜂窩式的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且相鄰單元格中的任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠直接通信 。節(jié)點(diǎn)已知本身的地理位置和整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域的位置信息，節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)計(jì)算得知自己屬于的單元格。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都通過(guò)發(fā)送消息告知自己所在位置、ID號(hào)等信息，得知同一單元格其它節(jié)點(diǎn)的信息。上述步驟2中，在蜂窩結(jié)構(gòu)中，綜合考慮各方面因素，當(dāng)簇頭處于單元格中心時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量消耗最小。所以，在實(shí)際監(jiān)測(cè)環(huán)境中，選舉的簇頭離單元格中心距離越近，越能有效地使用能量，以達(dá)到節(jié)能的目的。網(wǎng)絡(luò)初始化后，節(jié)點(diǎn)的初始能量一樣，且初始能量都能維持一輪所需的能量消耗，故第一輪簇頭選舉與節(jié)點(diǎn)到單元格中心的距離有關(guān)，距離越小則當(dāng)選簇頭的幾率越大。上述步驟3中，節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇頭后，發(fā)布通告消息告知其他節(jié)點(diǎn)自己的簇頭身份，簇頭根據(jù)簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，產(chǎn)生一個(gè)TDMA定時(shí)消息，并且通知該簇中所有節(jié)點(diǎn)。當(dāng)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)收到這個(gè)消息后，它們就會(huì)在各自的時(shí)間槽內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)。上述步驟4中，當(dāng)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)向當(dāng)前簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，在數(shù)據(jù)包內(nèi)增加節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)能力值P，該值與節(jié)點(diǎn)的剩余能量及與單元格中心的距離有關(guān)，
權(quán)利要求
1.一種基于節(jié)點(diǎn)位置信息的無(wú)線傳感網(wǎng)路由方法，其特征在于，包括: I)節(jié)點(diǎn)根據(jù)位置信息和通信半徑將監(jiān)測(cè)區(qū)域劃分為若干虛擬正六邊形單元格； 第一輪，單元格內(nèi)各節(jié)點(diǎn)計(jì)算與單元格中心的相對(duì)距離，根據(jù)距離選擇各簇內(nèi)的簇頭; 簇頭選舉成功后，簇頭根據(jù)簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，安排時(shí)隙給本簇的節(jié)點(diǎn)； 簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)在向簇頭傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，在數(shù)據(jù)包內(nèi)增加各節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)能力值3，簇頭將所有節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)能力值0進(jìn)行排序； 簇頭通過(guò)廣播的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)應(yīng)答，在應(yīng)答包里將3值高的前幾個(gè)節(jié)點(diǎn)ID號(hào)和@值發(fā)給簇內(nèi)各節(jié)點(diǎn)； 下一輪簇頭選舉時(shí)，當(dāng)前簇頭剩余能量若低于某一閾值，節(jié)點(diǎn)可以很快選出競(jìng)爭(zhēng)能力值最高的節(jié)點(diǎn)當(dāng)選為簇頭； 數(shù)據(jù)傳輸階段，簇頭將接收的信息融合后，通過(guò)多跳方式將數(shù)據(jù)傳送給sink節(jié)點(diǎn)； 重復(fù)步驟3至步驟7，直至所有節(jié)點(diǎn)能量耗盡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于節(jié)點(diǎn)位置信息的無(wú)線傳感網(wǎng)路由方法，其特征在于所述的步驟I)中，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)生成前，在網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)，無(wú)線傳感網(wǎng)中的各節(jié)點(diǎn)為同構(gòu)節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)設(shè)定一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)符ID，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的位置信息和通信半徑，將網(wǎng)絡(luò)區(qū)域劃分若干虛擬的正六邊形單元格，形成了蜂窩式的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且相鄰單元格中的任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠直接通信，節(jié)點(diǎn)已知本身的地理位置和整個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域的位置信息，節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)計(jì)算得知自己屬于的單元格，每 個(gè)節(jié)點(diǎn)都通過(guò)發(fā)送消息告知自己所在位置、ID號(hào)等信息，得知同一單元格其它節(jié)點(diǎn)的信息。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于節(jié)點(diǎn)位置信息的無(wú)線傳感網(wǎng)路由方法，其特征在于所述的步驟2)中，在蜂窩結(jié)構(gòu)中，綜合考慮各方面因素，當(dāng)簇頭處于單元格中心時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量消耗最小，所以，在實(shí)際監(jiān)測(cè)環(huán)境中，選舉的簇頭離單元格中心距離越近，越能有效地使用能量，以達(dá)到節(jié)能的目的，網(wǎng)絡(luò)初始化后，節(jié)點(diǎn)的初始能量一樣，且初始能量都能維持一輪所需的能量消耗，故第一輪簇頭選舉與節(jié)點(diǎn)到單元格中心的距離有關(guān)，距離越小則當(dāng)選簇頭的幾率越大。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于節(jié)點(diǎn)位置信息的無(wú)線傳感網(wǎng)路由方法，其特征在于所述的步驟3中，節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇頭后，發(fā)布通告消息告知其他節(jié)點(diǎn)自己的簇頭身份，簇頭根據(jù)簇內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，產(chǎn)生一個(gè)TDMA定時(shí)消息，并且通知該簇中所有節(jié)點(diǎn)，當(dāng)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)收到這個(gè)消息后，它們就會(huì)在各自的時(shí)間槽內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于節(jié)點(diǎn)位置信息的無(wú)線傳感網(wǎng)路由方法，其特征在于所述的步驟4中，當(dāng)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)向當(dāng)前簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，在數(shù)據(jù)包內(nèi)增加節(jié)點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)能力值P，該值與節(jié)點(diǎn)的剩余能量及與單元格中心的距離有關(guān)，
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于節(jié)點(diǎn)位置信息的無(wú)線傳感網(wǎng)路由方法，其特征在于所述的步驟5中，簇頭收到節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理轉(zhuǎn)發(fā)后，對(duì)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的競(jìng)爭(zhēng)能力值P進(jìn)行排序，挑選出最有可能成為簇頭的前幾個(gè)節(jié)點(diǎn)，在通過(guò)廣播的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)應(yīng)答時(shí)，在數(shù)據(jù)應(yīng)答包內(nèi)將排在前幾位的節(jié)點(diǎn)編號(hào)ID及相關(guān)信息發(fā)送給簇內(nèi)各節(jié)點(diǎn)，這樣做就不會(huì)增加廣播次數(shù)，只是以附加的方式就可以使整個(gè)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)都能獲得最有可能成為下一輪簇頭的節(jié)點(diǎn)的信息。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于節(jié)點(diǎn)位置信息的無(wú)線傳感網(wǎng)路由方法，其特征在于所述的步驟6中，當(dāng)簇頭節(jié)點(diǎn)能量低于閾值(剩余能量小于一輪所需能量)或發(fā)生異常，其他節(jié)點(diǎn)可以很快根據(jù)所保留的信息選出新的簇頭節(jié)點(diǎn)，通過(guò)該算法每次都可以選出最優(yōu)的節(jié)點(diǎn)當(dāng)選簇頭，使簇內(nèi)信息收集更加穩(wěn)定，并避免了每輪簇頭選舉時(shí)所有節(jié)點(diǎn)相互交換信息所需的大量開(kāi)銷。
8.根據(jù)權(quán)利要 求1所述的一種基于節(jié)點(diǎn)位置信息的無(wú)線傳感網(wǎng)路由方法，其特征在于所述的步驟7中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟襟E是:(a)非簇頭節(jié)點(diǎn)在簇頭為其分配好的時(shí)隙里傳送數(shù)據(jù)至簇頭節(jié)點(diǎn)；(b)簇頭節(jié)點(diǎn)在收齊了簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)數(shù)據(jù)之后，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合；(c)簇頭節(jié)點(diǎn)按照多跳方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至sink節(jié)點(diǎn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于節(jié)點(diǎn)位置信息的無(wú)線傳感網(wǎng)路由方法，其特征在于所述的步驟8中，完成了一輪的數(shù)據(jù)傳輸之后，重復(fù)步驟3至步驟7，直至所有節(jié)點(diǎn)能量耗盡。
全文摘要
一種基于節(jié)點(diǎn)位置信息的無(wú)線傳感網(wǎng)路由方法。該方法是引入了蜂窩式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，基于這種蜂窩式結(jié)構(gòu)，在每輪簇頭選舉前，簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)向簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，在數(shù)據(jù)包內(nèi)增加一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)能力值，該值由節(jié)點(diǎn)的剩余能量和節(jié)點(diǎn)到單元格中心的距離有關(guān)，簇頭對(duì)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理后將競(jìng)爭(zhēng)能力值進(jìn)行排序，挑出競(jìng)爭(zhēng)能力值較高的幾個(gè)節(jié)點(diǎn)，并通過(guò)廣播的形式在數(shù)據(jù)應(yīng)答包中把排序前幾個(gè)的節(jié)點(diǎn)編號(hào)和競(jìng)爭(zhēng)能力值發(fā)給簇內(nèi)各節(jié)點(diǎn)，下輪簇頭選舉盡量選擇競(jìng)爭(zhēng)能力值最高的節(jié)點(diǎn)，這樣使簇內(nèi)信息收集和主干網(wǎng)絡(luò)通信更加穩(wěn)定，并避免了每輪簇頭選舉時(shí)所有節(jié)點(diǎn)相互交換能量信息所需的大量開(kāi)銷，有效地提高能量利用率，以此延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。
文檔編號(hào)H04W40/10GK103209455SQ20131000340
公開(kāi)日2013年7月17日 申請(qǐng)日期2013年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月6日
發(fā)明者程甜華, 龍承志, 虞貴財(cái), 向滿天, 羅建平, 鄒文生, 余堯毅, 周海 申請(qǐng)人:南昌大學(xué)