樹型無線傳感器網(wǎng)絡的路由優(yōu)化方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡路由領域，具體地涉及一種樹型無線傳感器網(wǎng)絡的路 由優(yōu)化方法，應用到WSN網(wǎng)絡中，能提供對大規(guī)模無線組網(wǎng)支持，同時有效提高網(wǎng)絡路由效 率和平均生命周期。
【背景技術】
[0002] 無線傳感器網(wǎng)絡是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點通過無線通信形成的一個 多跳自組織網(wǎng)絡系統(tǒng)。它能協(xié)作感知采集和處理覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并傳送給觀 察者。無線傳感器網(wǎng)絡不需要固定網(wǎng)絡的支持，具有展開快速，抗毀性強等優(yōu)點；被廣泛應 用于國防軍事、國家安全、環(huán)境監(jiān)測、反恐抗災等領域。
[0003] 路由機制的設計原理如下： 1、節(jié)點網(wǎng)絡坐標生成機制 樹型網(wǎng)絡拓撲生成基于LEACH路由協(xié)議，在節(jié)點的網(wǎng)絡地址生成過程中，協(xié)調(diào)器首先 生成自己的地址，然后發(fā)起組網(wǎng)，第一層節(jié)點申請加入網(wǎng)絡，協(xié)調(diào)器依次分配相應的網(wǎng)絡地 址，然后第一層節(jié)點在轉(zhuǎn)發(fā)組網(wǎng)指令，外圍的第二層節(jié)點選擇最優(yōu)節(jié)點加入，此時第一層節(jié) 點就是該簇的簇首，簇首節(jié)點依次給自己的子節(jié)點分配網(wǎng)絡地址，以此類推，直到所有節(jié)點 加入網(wǎng)絡。
[0004] 、基于網(wǎng)絡地址的路徑生成算法 樹型網(wǎng)絡模型中生成的網(wǎng)絡地址反映了節(jié)點在網(wǎng)絡中的位置信息。它不僅反映了節(jié)點 在網(wǎng)絡中的第幾層，還反映了上層的節(jié)點分別是誰，以及自己的子節(jié)點有哪些。根據(jù)源節(jié)點 和目標節(jié)點的網(wǎng)絡地址，可以計算出節(jié)點地址的最小父節(jié)點，同時也生成了多跳路徑。
[0005] 通常情況下，無線傳感器網(wǎng)絡中的傳感器節(jié)點能源有限、存儲容量低，計算能力 和通信能力均較弱；網(wǎng)絡的壽命很大程度上取決于傳感器節(jié)點能量消耗的快慢。由于在 LEACH協(xié)議中，簇首的選舉沒有考慮到節(jié)點的剩余能量，使得選出的簇首可能不是最佳簇 首；同時，LEACH協(xié)議由于沒有考慮節(jié)點的地理位置，離Sink節(jié)點遠的簇首能量消耗遠遠高 于離Sink節(jié)點近的簇首，容易產(chǎn)生失效節(jié)點，導致網(wǎng)絡平均生命周期下降。經(jīng)典LEACH算 法中簇首節(jié)點位置分布不均勻的問題，大大縮短了網(wǎng)絡壽命。因此，開發(fā)節(jié)能的路由協(xié)議對 于多媒體無線傳感器網(wǎng)絡的成功應用來說意義重大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對經(jīng)典LEACH算法中簇首節(jié)點位置分布不均勻的問題，本發(fā)明目的是：提供一 種樹型無線傳感器網(wǎng)絡的路由優(yōu)化方法，是基于LEACH路由協(xié)議的優(yōu)化方法，根據(jù)節(jié)點在 樹型網(wǎng)絡中的位置生成網(wǎng)絡地址，通過網(wǎng)絡地址生成路徑信息，保障節(jié)點間的多跳傳輸，該 方法使節(jié)點的能耗更均衡，有利于提高大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡的壽命。
[0007] 本發(fā)明的技術方案是： 一種樹型無線傳感器網(wǎng)絡的路由優(yōu)化方法，包括如下步驟： SOI:樹型拓撲構(gòu)建：在WSN物理拓撲的基礎上，計算節(jié)點剩余能量，通過調(diào)整簇首門限 值T(n)輪換選擇簇首，構(gòu)建樹型拓撲結(jié)構(gòu)無線網(wǎng)絡； S02:網(wǎng)絡地址生成與路徑產(chǎn)生：基于節(jié)點在樹型網(wǎng)路中的位置生成網(wǎng)絡地址，并根據(jù) 網(wǎng)絡地址生成任意兩個節(jié)點間的多跳路由，保障網(wǎng)絡中節(jié)點之間能夠通過多跳的方式發(fā)送 信息。
[0008] 優(yōu)選的，所述步驟SOl具體包括如下步驟： S11:每個節(jié)點計算自己的當前剩余能量和初始能量，向其它節(jié)點廣播其能量信息，并 記錄接收到的網(wǎng)絡中其它節(jié)點的能量信息； S12:節(jié)點判斷自己剩余能量是否小于初始能量的一半，若是，進入步驟3;否則，進入 步驟4; S13:節(jié)點通過計算自己與Sink節(jié)點的相對距離以及剩余能量計算調(diào)整簇首門限值T(n)，選舉出離Sink節(jié)點較近且剩余能量較多的節(jié)點成為簇首； S14:節(jié)點通過計算自己的剩余能量與初始能量的比率，計算調(diào)整簇首門限值T(n)，選 舉出剩余能量較多的節(jié)點成為簇首； :簇首通知網(wǎng)絡中其余節(jié)點自己被選為簇首；非簇首節(jié)點按照設置的參考值選擇加入 的簇，并告知相應的簇首； S16:簇首記錄簇內(nèi)節(jié)點的數(shù)量，當簇內(nèi)節(jié)點數(shù)達到預先規(guī)定的最大值Nmax時，簇首以 廣播方式發(fā)送"飽和"信息；收到此信息后，尚未加入該簇的節(jié)點將選擇其它簇加入；其中， Nmax=K/N，K為每輪通信中簇首的數(shù)量，N為網(wǎng)絡中剩余節(jié)點的數(shù)量。
[0009] 優(yōu)選的，所述調(diào)整簇首門限值T(n)的計算公式為：
【主權項】
1. 一種樹型無線傳感器網(wǎng)絡的路由優(yōu)化方法，其特征在于，包括如下步驟： 501 :樹型拓撲構(gòu)建：在WSN物理拓撲的基礎上，計算節(jié)點剩余能量，通過調(diào)整簇首門限 值T (η)輪換選擇簇首，構(gòu)建樹型拓撲結(jié)構(gòu)無線網(wǎng)絡； 502 :網(wǎng)絡地址生成與路徑產(chǎn)生：基于節(jié)點在樹型網(wǎng)路中的位置生成網(wǎng)絡地址，并根據(jù) 網(wǎng)絡地址生成任意兩個節(jié)點間的多跳路由，保障網(wǎng)絡中節(jié)點之間能夠通過多跳的方式發(fā)送 信息。
2. 根據(jù)權利要求1所述的樹型無線傳感器網(wǎng)絡的路由優(yōu)化方法，其特征在于，所述步 驟SOl具體包括如下步驟： 511 :每個節(jié)點計算自己的當前剩余能量和初始能量，向其它節(jié)點廣播其能量信息，并 記錄接收到的網(wǎng)絡中其它節(jié)點的能量信息； 512 :節(jié)點判斷自己剩余能量是否小于初始能量的一半，若是，進入步驟S13 ;否則，進 入步驟S14 ; 513 :節(jié)點通過計算自己與Sink節(jié)點的相對距離以及剩余能量計算調(diào)整簇首門限值 T (η)，選舉出離Sink節(jié)點較近且剩余能量較多的節(jié)點成為簇首； 514 :節(jié)點通過計算自己的剩余能量與初始能量的比率，計算調(diào)整簇首門限值T(n)，選 舉出剩余能量較多的節(jié)點成為簇首； 515 :簇首通知網(wǎng)絡中其余節(jié)點自己被選為簇首；非簇首節(jié)點按照設置的參考值選擇 加入的簇，并告知相應的簇首； 516 :簇首記錄簇內(nèi)節(jié)點的數(shù)量，當簇內(nèi)節(jié)點數(shù)達到預先規(guī)定的最大值Nmax時，簇首以 廣播方式發(fā)送"飽和"信息；收到此信息后，尚未加入該簇的節(jié)點將選擇其它簇加入；其中， Nmax = K/N，K為每輪通信中簇首的數(shù)量，N為網(wǎng)絡中剩余節(jié)點的數(shù)量。
3. 根據(jù)權利要求1所述的樹型無線傳感器網(wǎng)絡的路由優(yōu)化方法，其特征在于，所述調(diào) 整簇首門限值Τ(η)的計算公式為：
其中，fPrM??表示節(jié)點當前剩余的能量，￡表示節(jié)點的最初能量，％Jrtfcest表示 離Sink節(jié)點最遠的節(jié)點與Sink節(jié)點間的距離，表示當前節(jié)點與Sink節(jié)點間的距離，P 為節(jié)點成為簇首節(jié)點的概率、r為當前輪數(shù)，G為電源電壓范圍的集合。
4. 根據(jù)權利要求1所述的樹型無線傳感器網(wǎng)絡的路由優(yōu)化方法，其特征在于，所述步 驟S02包括如下： 521 :數(shù)組arr[d]存儲節(jié)點的網(wǎng)絡地址，協(xié)調(diào)器將自身網(wǎng)絡地址最低位arr[0]置為1， 其它位為0,生成協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡地址，并發(fā)送組網(wǎng)請求信標幀； 522 :協(xié)調(diào)器周圍的節(jié)點根據(jù)收到的信標幀中的信號強度值RSSI，如果RSSI大于閾值 T，則申請加入網(wǎng)絡，否則丟棄信標幀； S23 :如果協(xié)調(diào)器收到節(jié)點的入網(wǎng)請求，則為申請加入的節(jié)點分配網(wǎng)絡地址，地址分配 方法如下，將arr[d]數(shù)組的第二位置1，同時第一位還是1，其它位為0,將此地址分配給第 一個申請加入的節(jié)點，第二個加入的節(jié)點將第arr[d]數(shù)組的第二位繼續(xù)加 1，以此類推； S24:第一輪節(jié)點地址分配完畢后，此時這些節(jié)點是網(wǎng)絡的第一層簇首節(jié)點，這些節(jié)點 依次發(fā)起組網(wǎng)申請，收到第一層簇首節(jié)點組網(wǎng)發(fā)起幀的節(jié)點記錄各個簇首節(jié)點的RSSI值， 選擇最尚的申請加入； 525 :第一層簇首節(jié)點收到申請加入幀后，為其分配網(wǎng)絡地址，具體分配方法如下：將 自身網(wǎng)絡地址的最高0位置1，分配給第一個申請加入的節(jié)點，并依次將此位加 1分配給其 它申請加入的節(jié)點；此時得到網(wǎng)絡地址的節(jié)點是網(wǎng)絡的第二層簇首節(jié)點，第二層節(jié)點依次 轉(zhuǎn)發(fā)組網(wǎng)申請，并分配網(wǎng)絡地址，形成網(wǎng)絡的第三層節(jié)點； 526 :以此類推，給整個網(wǎng)絡分配地址完畢； 527 :根據(jù)源節(jié)點和目標節(jié)點的網(wǎng)絡地址，計算兩者的最小父節(jié)點； 528 :信息根據(jù)源節(jié)點的網(wǎng)絡地址依次往上層節(jié)點發(fā)送，直到到達最小父節(jié)點，然后根 據(jù)目標節(jié)點的網(wǎng)絡地址依次往下層節(jié)點發(fā)送，直到到達目標節(jié)點。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種樹型無線傳感器網(wǎng)絡的路由優(yōu)化方法，包括如下步驟：樹型拓撲構(gòu)建：在WSN物理拓撲的基礎上，計算節(jié)點剩余能量，通過調(diào)整簇首門限值T(n)輪換選擇簇首，構(gòu)建樹型拓撲結(jié)構(gòu)無線網(wǎng)絡；網(wǎng)絡地址生成與路徑產(chǎn)生：基于節(jié)點在樹型網(wǎng)路中的位置生成網(wǎng)絡地址，并根據(jù)網(wǎng)絡地址生成任意兩個節(jié)點間的多跳路由，保障網(wǎng)絡中節(jié)點之間能夠通過多跳的方式發(fā)送信息。在經(jīng)典LEACH協(xié)議基礎上優(yōu)化，將剩余能量和節(jié)點間距離因素加入到簇首選舉算法設計中網(wǎng)絡地址生成方法客觀反映了節(jié)點的空間位置，節(jié)點不必維護龐大的路由表，避免了傳感器網(wǎng)絡頻繁更新路由表造成的能量過快損耗，也節(jié)省了硬件開銷，為節(jié)點間的多跳通信提供依據(jù)。
【IPC分類】H04W40-32, H04W40-10, H04W40-20
【公開號】CN104853398
【申請?zhí)枴緾N201510291253
【發(fā)明人】周曉明, 謝文祥, 王薇
【申請人】蘇州博聯(lián)科技有限公司
【公開日】2015年8月19日
【申請日】2015年6月1日