樹(shù)型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由領(lǐng)域，具體地涉及一種樹(shù)型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路 由優(yōu)化方法，應(yīng)用到WSN網(wǎng)絡(luò)中，能提供對(duì)大規(guī)模無(wú)線組網(wǎng)支持，同時(shí)有效提高網(wǎng)絡(luò)路由效 率和平均生命周期。
【背景技術(shù)】
[0002] 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線通信形成的一個(gè) 多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它能協(xié)作感知采集和處理覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并傳送給觀 察者。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)不需要固定網(wǎng)絡(luò)的支持，具有展開(kāi)快速，抗毀性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；被廣泛應(yīng) 用于國(guó)防軍事、國(guó)家安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)、反恐抗災(zāi)等領(lǐng)域。
[0003] 路由機(jī)制的設(shè)計(jì)原理如下： 1、節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)坐標(biāo)生成機(jī)制 樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖苫贚EACH路由協(xié)議，在節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址生成過(guò)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(diǎn)申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器依次分配相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)地 址，然后第一層節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)發(fā)組網(wǎng)指令，外圍的第二層節(jié)點(diǎn)選擇最優(yōu)節(jié)點(diǎn)加入，此時(shí)第一層節(jié) 點(diǎn)就是該簇的簇首，簇首節(jié)點(diǎn)依次給自己的子節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址，以此類推，直到所有節(jié)點(diǎn) 加入網(wǎng)絡(luò)。
[0004] 、基于網(wǎng)絡(luò)地址的路徑生成算法 樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)模型中生成的網(wǎng)絡(luò)地址反映了節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的位置信息。它不僅反映了節(jié)點(diǎn) 在網(wǎng)絡(luò)中的第幾層，還反映了上層的節(jié)點(diǎn)分別是誰(shuí)，以及自己的子節(jié)點(diǎn)有哪些。根據(jù)源節(jié)點(diǎn) 和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址，可以計(jì)算出節(jié)點(diǎn)地址的最小父節(jié)點(diǎn)，同時(shí)也生成了多跳路徑。
[0005] 通常情況下，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)能源有限、存儲(chǔ)容量低，計(jì)算能力 和通信能力均較弱；網(wǎng)絡(luò)的壽命很大程度上取決于傳感器節(jié)點(diǎn)能量消耗的快慢。由于在 LEACH協(xié)議中，簇首的選舉沒(méi)有考慮到節(jié)點(diǎn)的剩余能量，使得選出的簇首可能不是最佳簇 首；同時(shí)，LEACH協(xié)議由于沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)的地理位置，離Sink節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)的簇首能量消耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)高 于離Sink節(jié)點(diǎn)近的簇首，容易產(chǎn)生失效節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)平均生命周期下降。經(jīng)典LEACH算 法中簇首節(jié)點(diǎn)位置分布不均勻的問(wèn)題，大大縮短了網(wǎng)絡(luò)壽命。因此，開(kāi)發(fā)節(jié)能的路由協(xié)議對(duì) 于多媒體無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的成功應(yīng)用來(lái)說(shuō)意義重大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)經(jīng)典LEACH算法中簇首節(jié)點(diǎn)位置分布不均勻的問(wèn)題，本發(fā)明目的是：提供一 種樹(shù)型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)在 樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)中的位置生成網(wǎng)絡(luò)地址，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)地址生成路徑信息，保障節(jié)點(diǎn)間的多跳傳輸，該 方法使節(jié)點(diǎn)的能耗更均衡，有利于提高大規(guī)模無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案是： 一種樹(shù)型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由優(yōu)化方法，包括如下步驟： SOI:樹(shù)型拓?fù)錁?gòu)建：在WSN物理拓?fù)涞幕A(chǔ)上，計(jì)算節(jié)點(diǎn)剩余能量，通過(guò)調(diào)整簇首門限 值T(n)輪換選擇簇首，構(gòu)建樹(shù)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)； S02:網(wǎng)絡(luò)地址生成與路徑產(chǎn)生：基于節(jié)點(diǎn)在樹(shù)型網(wǎng)路中的位置生成網(wǎng)絡(luò)地址，并根據(jù) 網(wǎng)絡(luò)地址生成任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的多跳路由，保障網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間能夠通過(guò)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(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算自己的當(dāng)前剩余能量和初始能量，向其它節(jié)點(diǎn)廣播其能量信息，并 記錄接收到的網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點(diǎn)的能量信息； S12:節(jié)點(diǎn)判斷自己剩余能量是否小于初始能量的一半，若是，進(jìn)入步驟3;否則，進(jìn)入 步驟4; S13:節(jié)點(diǎn)通過(guò)計(jì)算自己與Sink節(jié)點(diǎn)的相對(duì)距離以及剩余能量計(jì)算調(diào)整簇首門限值T(n)，選舉出離Sink節(jié)點(diǎn)較近且剩余能量較多的節(jié)點(diǎn)成為簇首； S14:節(jié)點(diǎn)通過(guò)計(jì)算自己的剩余能量與初始能量的比率，計(jì)算調(diào)整簇首門限值T(n)，選 舉出剩余能量較多的節(jié)點(diǎn)成為簇首； :簇首通知網(wǎng)絡(luò)中其余節(jié)點(diǎn)自己被選為簇首；非簇首節(jié)點(diǎn)按照設(shè)置的參考值選擇加入 的簇，并告知相應(yīng)的簇首； S16:簇首記錄簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，當(dāng)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)到預(yù)先規(guī)定的最大值Nmax時(shí)，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(diǎn)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(luò)中剩余節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。
[0009] 優(yōu)選的，所述調(diào)整簇首門限值T(n)的計(jì)算公式為：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種樹(shù)型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由優(yōu)化方法，其特征在于，包括如下步驟： 501 :樹(shù)型拓?fù)錁?gòu)建：在WSN物理拓?fù)涞幕A(chǔ)上，計(jì)算節(jié)點(diǎn)剩余能量，通過(guò)調(diào)整簇首門限 值T (η)輪換選擇簇首，構(gòu)建樹(shù)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)； 502 :網(wǎng)絡(luò)地址生成與路徑產(chǎn)生：基于節(jié)點(diǎn)在樹(shù)型網(wǎng)路中的位置生成網(wǎng)絡(luò)地址，并根據(jù) 網(wǎng)絡(luò)地址生成任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的多跳路由，保障網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間能夠通過(guò)多跳的方式發(fā)送 信息。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的樹(shù)型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算自己的當(dāng)前剩余能量和初始能量，向其它節(jié)點(diǎn)廣播其能量信息，并 記錄接收到的網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點(diǎn)的能量信息； 512 :節(jié)點(diǎn)判斷自己剩余能量是否小于初始能量的一半，若是，進(jìn)入步驟S13 ;否則，進(jìn) 入步驟S14 ; 513 :節(jié)點(diǎn)通過(guò)計(jì)算自己與Sink節(jié)點(diǎn)的相對(duì)距離以及剩余能量計(jì)算調(diào)整簇首門限值 T (η)，選舉出離Sink節(jié)點(diǎn)較近且剩余能量較多的節(jié)點(diǎn)成為簇首； 514 :節(jié)點(diǎn)通過(guò)計(jì)算自己的剩余能量與初始能量的比率，計(jì)算調(diào)整簇首門限值T(n)，選 舉出剩余能量較多的節(jié)點(diǎn)成為簇首； 515 :簇首通知網(wǎng)絡(luò)中其余節(jié)點(diǎn)自己被選為簇首；非簇首節(jié)點(diǎn)按照設(shè)置的參考值選擇 加入的簇，并告知相應(yīng)的簇首； 516 :簇首記錄簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，當(dāng)簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)達(dá)到預(yù)先規(guī)定的最大值Nmax時(shí)，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(diǎn)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(luò)中剩余節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的樹(shù)型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(jì)算公式為：
其中，fPrM??表示節(jié)點(diǎn)當(dāng)前剩余的能量，￡表示節(jié)點(diǎn)的最初能量，％Jrtfcest表示 離Sink節(jié)點(diǎn)最遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)與Sink節(jié)點(diǎn)間的距離，表示當(dāng)前節(jié)點(diǎn)與Sink節(jié)點(diǎn)間的距離，P 為節(jié)點(diǎn)成為簇首節(jié)點(diǎn)的概率、r為當(dāng)前輪數(shù)，G為電源電壓范圍的集合。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的樹(shù)型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(chǔ)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址，協(xié)調(diào)器將自身網(wǎng)絡(luò)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(luò)地址，并發(fā)送組網(wǎng)請(qǐng)求信標(biāo)幀； 522 :協(xié)調(diào)器周圍的節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到的信標(biāo)幀中的信號(hào)強(qiáng)度值RSSI，如果RSSI大于閾值 T，則申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，否則丟棄信標(biāo)幀； S23 :如果協(xié)調(diào)器收到節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請(qǐng)求，則為申請(qǐng)加入的節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址，地址分配 方法如下，將arr[d]數(shù)組的第二位置1，同時(shí)第一位還是1，其它位為0,將此地址分配給第 一個(gè)申請(qǐng)加入的節(jié)點(diǎn)，第二個(gè)加入的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)地址分配完畢后，此時(shí)這些節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)的第一層簇首節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn) 依次發(fā)起組網(wǎng)申請(qǐng)，收到第一層簇首節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)發(fā)起幀的節(jié)點(diǎn)記錄各個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)的RSSI值， 選擇最尚的申請(qǐng)加入； 525 :第一層簇首節(jié)點(diǎn)收到申請(qǐng)加入幀后，為其分配網(wǎng)絡(luò)地址，具體分配方法如下：將 自身網(wǎng)絡(luò)地址的最高0位置1，分配給第一個(gè)申請(qǐng)加入的節(jié)點(diǎn)，并依次將此位加 1分配給其 它申請(qǐng)加入的節(jié)點(diǎn)；此時(shí)得到網(wǎng)絡(luò)地址的節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)的第二層簇首節(jié)點(diǎn)，第二層節(jié)點(diǎn)依次 轉(zhuǎn)發(fā)組網(wǎng)申請(qǐng)，并分配網(wǎng)絡(luò)地址，形成網(wǎng)絡(luò)的第三層節(jié)點(diǎn)； 526 :以此類推，給整個(gè)網(wǎng)絡(luò)分配地址完畢； 527 :根據(jù)源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址，計(jì)算兩者的最小父節(jié)點(diǎn)； 528 :信息根據(jù)源節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址依次往上層節(jié)點(diǎn)發(fā)送，直到到達(dá)最小父節(jié)點(diǎn)，然后根 據(jù)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址依次往下層節(jié)點(diǎn)發(fā)送，直到到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種樹(shù)型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由優(yōu)化方法，包括如下步驟：樹(shù)型拓?fù)錁?gòu)建：在WSN物理拓?fù)涞幕A(chǔ)上，計(jì)算節(jié)點(diǎn)剩余能量，通過(guò)調(diào)整簇首門限值T(n)輪換選擇簇首，構(gòu)建樹(shù)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)地址生成與路徑產(chǎn)生：基于節(jié)點(diǎn)在樹(shù)型網(wǎng)路中的位置生成網(wǎng)絡(luò)地址，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)地址生成任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的多跳路由，保障網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間能夠通過(guò)多跳的方式發(fā)送信息。在經(jīng)典LEACH協(xié)議基礎(chǔ)上優(yōu)化，將剩余能量和節(jié)點(diǎn)間距離因素加入到簇首選舉算法設(shè)計(jì)中網(wǎng)絡(luò)地址生成方法客觀反映了節(jié)點(diǎn)的空間位置，節(jié)點(diǎn)不必維護(hù)龐大的路由表，避免了傳感器網(wǎng)絡(luò)頻繁更新路由表造成的能量過(guò)快損耗，也節(jié)省了硬件開(kāi)銷，為節(jié)點(diǎn)間的多跳通信提供依據(jù)。
【IPC分類】H04W40-32, H04W40-10, H04W40-20
【公開(kāi)號(hào)】CN104853398
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510291253
【發(fā)明人】周曉明, 謝文祥, 王薇
【申請(qǐng)人】蘇州博聯(lián)科技有限公司
【公開(kāi)日】2015年8月19日
【申請(qǐng)日】2015年6月1日