一种小规模无线传感器网络的路由方法
【专利摘要】一种小规模无线传感器网络的路由方法，本发明属于无线传感器网络路由领域，解决传统和声搜索算法不能直接用于求解无线传感器网络路由的问题。本发明包括传递全局信息步骤、发送数据包步骤、传递数据包步骤和更新剩余能量信息步骤。本发明对现有和声搜索算法的编码方式及候选和声生成方法进行改进，既考虑路径能耗也考虑路径长度，能有效平衡整个网络的能耗，显著延长整个网络的生命周期。
【专利说明】-种小规模无线传感器网络的路由方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线传感器网络路由领域，具体设及一种小规模无线传感器网络的路 由方法。
【背景技术】
[0002] 计算机系统、传感器技术、无线通信技术W及分布式信息处理等技术的飞速发展 推动了连通人类与现实物理世界的无线传感器网络技术的迅速发展。无线传感器网络可W 将客观世界的物理信息与现有的网络连接在一起，因而它可实现其他网络无法实现的多种 功能，是下一代网络中的关键技术之一，也是21世纪最重要的新兴技术之一，已经广泛运 用于军事领域W及经济和生活领域，W实现物理世界与人类社会的互连。
[0003] 无线传感器网络在现代经济和生活中的各种领域的应用与在军事等特殊领域的 应用有很大的不同；在经济和生活中，智能医疗、环境监测、智能家居、建筑环境W及抢险救 灾等领域，都有小规模无线传感器网络的应用。
[0004] 为便于理解本发明，W下对有关术语加W解释：
[0005] 路径；数据包W多跳传输的方式从源节点经由各传感器节点发送到汇聚节点时， 由发送该数据包的各传感器节点组成的序列；路径的长度也称为维数，系路径中包括源节 点和汇聚节点在内的传感器节点数。
[0006] 距离；传感器节点之间的欧式距离。
[0007] 跳数；当前传感器节点发送数据包到汇聚节点需要经过的最少传感器节点数。
[000引剩余能量；传感器节点的电量剩余值。
[0009] 全局信息；包括各传感器节点的邻居节点集合、各传感器节点与邻居节点的距离、 各传感器节点的现有能量W及各传感器节点到汇聚节点的跳数。
[0010] 如图1所示，小规模无线传感器网络1由汇聚节点2、几十到几百个传感器节点3 构成，各传感器节点3均由处理单元、数据采集单元、数据传输单元（接收和传送电路W及 传送放大器）W及供电单元构成；各传感器节点监测所在环境信息，并处理成为相关数据 包，各传感器节点和邻居节点之间能够直接通信，然后，W多跳传输方式将数据传送给汇聚 节点2,汇聚节点2将传感器节点3监测处理得到的数据通过因特网或卫星4传送给客户 端5进行处理；其中，邻居节点为在汇聚节点或传感器节点特定发送功率下能够接收到信 息的传感器节点；汇聚节点具有较强的计算能力、存储能力和通信能力，并且具有不间断的 电源供应。小规模传感器网络中，传感器节点数量比军事等大规模无线传感器网络中的传 感器节点数量小得多。一些独立的小规模无线传感器网络可W通过簇间连接的方式构成一 个较大型的网络结构。
[0011] 小规模无线传感器网络中的传感器节点具有能源有限、存储容量有限、计算能力 有限W及通信能力有限等特点，随着计算机硬件技术的发展，各种存储设备的容量变得越 来越大，体积变得越来越小，价格越来越便宜；各种处理器的速度也变得越来越快、体积变 得越来越小、功耗越来越低，价格也越来越便宜，使得传感器节点的存储能力、计算能力变 得越来越强、巧片功耗变得越来越低，将不再成为小规模无线传感器网络应用过程中最重 要的障碍。然而，电池技术一直未获得突破性的进展，小规模无线传感器网络中的传感器节 点大都采用电池供电，能量非常有限，无法或者很难充电，并且有时传感器节点一旦部署往 往很难回收，无疑，能耗已成为小规模无线传感器网络应用过程中最关键的瓶颈，因此，对 小规模无线传感器网络的能效研究是无线传感器网络研究的热点和难点问题。
[0012] 路由算法在小规模无线传感器网络中发挥着重要作用，它对各传感器节点的能耗 W及整个网络的生命周期起着关键性的作用；而且，小规模无线传感器网络具有很强的应 用相关性，不同应用中的路由算法可能差别很大，没有一个通用的路由算法，只能针对特 定的场景设计和选择特定的路由算法。因此，路由算法的研究受到越来越多的关注。目 前，路由算法主要包括传统的路由算法和基于启发式方法的路由算法，传统的路由算法包 括Flooding、SPIN、MTE、Directed Diffusion、LEACH等；基于启发式方法的路由算法包括 ￡6八83、506、6848、犯1^\1?、9〇5斗50等。并且，应用启发式方法设计路由算法是未来的趋势和 研究热点。
[0013] 和声捜索（Harmony Search,服）算法是2001年韩国学者Geem等人提出的一种智 能优化算法。算法模拟了音乐演奏中乐师们凭借自己的记忆，通过反复调整乐队中各乐器 的音调，最终达到一个美妙的和声状态的过程。和声捜索算法有很强的全局捜索能力，易于 收敛到全局最优解，其流程图如图2所示，包括下述步骤：
[0014] 步骤1、算法相关参数初始化：
[0015] 初始化和声记忆库（Harmony Memo巧，HM)的大小H(即行向量个数）、选择概率C、 调整概率A、调整带宽b、评价次数N ;
[0016]
【权利要求】
1. 一种小规模无线传感器网络的路由方法，包括传递全局信息步骤、发送数据包步骤、 传递数据包步骤和更新剩余能量信息步骤，其特征在于： (1) 传递全局信息步骤： 首先，对网络中包括汇聚节点在内的各传感器节点分别进行编号，作为它们各自唯一 的标识；将汇聚节点设置成与各传感器节点相同的发送功率，汇聚节点在网络内向邻居节 点广播路由消息，其中包括各传感器节点到汇聚节点的跳数；各邻居节点收到路由消息后， 将其中自身到汇聚节点的跳数加1后，再向自身的邻居节点广播更新的路由消息；这样，每 个传感器节点都能知道自身到汇聚节点的跳数、自身的邻居节点、与邻居节点的距离以及 邻居节点到汇聚节点的跳数； 然后，各传感器节点将其与邻居节点的距离、邻居节点的编号、邻居节点到汇聚节点的 跳数以及自身现有能量和跳数发送到汇聚节点，汇聚节点将各传感器节点的邻居节点按照 编号从小到大排序，形成各传感器节点的邻居节点集合；再由汇聚节点在网络内以广播方 式向每个传感器节点传递全局信息； 所述全局信息包括各传感器节点的邻居节点集合、各传感器节点与邻居节点的距离、 各传感器节点的现有能量以及各传感器节点到汇聚节点的跳数； (2) 发送数据包步骤： 当某传感器节点监测到环境信息，先将其处理成为数据包，然后根据自身存储的全局 信息，计算自身到汇聚节点的最优路径，并将所述最优路径加入数据包；接着计算出最优路 径中其它各传感器节点转发所述数据包需要消耗的能量和剩余能量，并更新自身存储的全 局信息中在最优路径上的其它各传感器节点的剩余能量；再将自身剩余能量加入所述数据 包后，将数据包按照所述最优路径发送到下一传感器节点； (3) 传递数据包步骤： 下一传感器节点接收到所述数据包，将自身剩余能量加入到该数据包，按照数据包 中的最优路径继续将数据包发送给下一传感器节点，如此继续，直到数据包传送到汇聚节 占. (4) 更新剩余能量信息步骤： 汇聚节点收到所述数据包后，对数据包进行处理，将其中传感器节点监测到的环境信 息通过因特网或者卫星传送给用户；利用数据包中各传感器节点的剩余能量信息更新存储 的全局信息，汇聚节点以一定周期向各传感器节点广播所有节点剩余能量信息。
2. 如权利要求1所述的路由方法，其特征在于： 所述发送数据包步骤中，计算所述最优路径包括下述子步骤： 子步骤1、设置路径库PM的大小H、最小选择概率Cmin、最大选择概率C_以及评价次数N： PM= %，X2，…，X,，…，XH]T，其中，X,为第r条路径，表示当前传感器节点到汇聚节 点的路径，r=l、2、…、…，Xy，…，d}，式中，s为当前传感器节点，d为汇聚 节点，Xy.为第r条路径中的第j个传感器节点； H= 3 ?12,0 彡C-彡C腸1，N= 200 ?800 ; 子步骤2、对路径库PM中每条路径初始化，包括下述过程： (2. 1)将路径长度变量j赋值1，将传感器节点s设置为当前初始化路径的第j个传感 器节点； (2. 2)将j+1的值赋值给j，为当前初始化路径选择第j个传感器节点： 判断当前初始化路径第j一 1个传感器节点的邻居节点集合内是否存在未选择过的传 感器节点，是则进行过程（2. 3)，否则转过程（2. 1); (2. 3)首先产生0到1之间的随机数R，然后用R减去当前初始化路径中第j一 1个传 感器节点的邻居节点集合内未选择过的编号最小传感器节点的选择概率，判断其差值是否 不大于0,是则进行过程（2. 4)，否则转过程（2. 5); (2. 4)将所述未选择过的编号最小传感器节点作为当前初始化路径的第j个传感器节 点，转过程（2.6); (2. 5)将所述差值继续减去当前初始化路径中第j一 1个传感器节点的邻居节点集合 内未选择过的编号次小传感器节点的选择概率，再判断其结果是否不大于0,是则将所述未 选择过的编号次小传感器节点作为当前初始化路径的第j个传感器节点，否则如此继续直 到最后的差值不大于〇,用当前初始化路径第j一 1个传感器节点的邻居节点集合内最后涉 及其选择概率的传感器节点作为当前初始化路径的第j个传感器节点，转过程（2.6); (2. 6)判断当前初始化路径的第j个传感器节点是否为汇聚节点，是则生成一条初始 路径；否则转过程（2. 2); 对路径库PM中每条路径重复过程（2. 1)?（2. 6)，共生成H条初始路径，完成PM的初 始化； 子步骤3、计算路径库中各路径的适应度f(I):
和传感器节点i+1之间的距离，传感器节点中接收和传送电路工作时所消耗的能量E&。为 50nJ/bit，传感器节点中传送放大器工作时所消耗的能量Eamp为0.lnj/bit/m2;k为传感器 节点所传送的数据包大小，单位为比特；EMin为路径L中剩余能量最少的传感器节点的剩余 能量，EAvg为路径中所有传感器节点的平均剩余能量； 子步骤4、设置评价次数变量t= 1 ; 子步骤5、设置路径条数变量r= 1 ; 子步骤6、产生候选路径X'，包括下述过程： (6. 1)将1赋值给路径长度变量j，将当前传感器节点s设置为侯选路径X'的第j个 传感器节点； (6. 2)将j+1的值赋值给j，判断侯选路径X'中第j一 1个传感器节点的邻居节点范 围内是否存在未曾选择过的传感器节点，是则进行过程（6.3)，否则转过程（6. 1); (6. 3)为侯选路径X'选择第j个传感器节点： 产生0到1之间的随机数R，判断是否R<C，是则进行过程（6. 4)，否则进行过程
(6. 4)判断路径库PM中是否存在具有第j个传感器节点的路径，是则进行过程（6. 5); 否则进行过程（6. 7); (6. 5)判断路径库中各条路径的第j个传感器节点中是否有在候选路径的第j一 1个 传感器节点的邻居节点集合内，且未选择过的传感器节点，是则进行过程（6. 6)，否则进行 过程（6. 7); (6. 6)从各条具有第j个传感器节点的路径的第j个传感器节点组成的集合内随机选 择一个在候选路径的第j一 1个传感器节点的邻居节点集合内，且未选择过的传感器节点 作为候选路径的第j个传感器节点，进行过程（6. 8); (6. 7)从候选路径中第j一 1个传感器节点的邻居节点集合内随机选择一个未选择过 的传感器节点作为候选路径的第j个传感器节点，进行过程（6.8); (6.8)判断候选路径中的第j个传感器节点是否为汇聚节点，是则进行过程（6.9)，否 则转过程（6. 2); (6. 9)生成一条侯选路径X'，按照子步骤3的计算式，计算侯选路径的适应度f(X'），判 断f(X'）是否小于路径库中适应度最大的路径的适应度，是则以侯选路径X'替换掉路径库 中适应度最大的路径，进行子步骤7 ;否则，对路径库不做任何改变，进行子步骤7 ; 子步骤7、将t+1的值赋予t，判断是否t<N，是则执行子步骤8,否则执行子步骤11 ; 子步骤8、从路径库的第r条路径&中除源节点和汇聚节点外任选一传感器节点x」进 行邻域搜索，包括下述过程： (8. 1)选择路径X1?中除源节点和汇聚节点外的任一传感器节点xj，判断传感器节点Xj的上一跳传感器节点Xy的邻居节点集合和下一跳传感器节点xj+1的邻居节点集合的交集 内是否有不在路径I中的传感器节点，是则进行过程（8. 2);否则对路径L不做任何改变； (8. 2)在所述交集内随机选择一个不在路径&中的传感器节点替换传感器节点x」，得 到新路径X%，根据子步骤3的计算式，计算新路径的适应度f(X\)，判断是否f(X\) <f(X,)，是则以X',替换掉X,，进行子步骤9 ;否则，对路径X,不做任何改变，进行子步骤9 ; 子步骤9、将t+1的值赋予t，判断是否t<N，是则执行子步骤10,否则执行子步骤11 ; 子步骤10、将r+1的值赋予r，判断是否r<H，是则执行子步骤6,否则执行子步骤5 ; 子步骤11、选择路径库中适应度最小的一条路径作为最优路径。
3.如权利要求2所述的路由方法，其特征在于： 所述子步骤2的过程（2. 3)或（2. 5)中，当前初始化路径中第j一 1个传感器节点的 邻居节点集合内未选择过的编号最小或编号次小传感器节点i的选择概率P(j_l，i):
式中，表示第j- 1个传感器节点的邻居节点集合，N(aj为集合的元素数量， 表示am中传感器节点i的跳数，hm表示am中传感器节点m的跳数。
【文档编号】H04W40/10GK104486807SQ201410705802
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年11月28日 优先权日:2014年11月28日
【发明者】董燕, 曾冰 申请人:华中科技大学