基于能量逼近的无线传感网路由方法与流程

文档序号:12184192阅读:264来源:国知局
基于能量逼近的无线传感网路由方法与流程

本发明涉及无线传感器网络路由算法,具体涉及一种基于能量逼近的无线传感网路由方法。



背景技术:

无线传感网是由部署在检测区域内的大量微型传感器节点组成的一个自组织网络系统。节点首先感知、采集和处理被检测对象的信息,然后通过单跳或者多跳的方式将信息传递给基站。无线传感网在军事、工业、环境等领域有巨大的应用价值。传感器节点通常携带的电池能量十分有限,因此,如何高效的使用能量来最大化网络的生命周期是传感器网络很重要的一部分。近几年来,无线传感网的能效优化一直是该领域研究的热点。

路由协议是无线传感网的核心技术之一。根据网络中各个节点的地位和功能是否相同,路由协议可以分成平面路由协议和分层次路由协议。与平面路由协议相对应,分层路由协议能够更好的节省网络的能量和延长网络的生命周期。将节点分成高低层次,高层次的节点负责收集附近低层次节点的信息,然后将信息传递给基站。

传统的经典无线传感器网络路由算法存在很多不足的地方。比如簇首的选取极其不合理,使得远距离汇聚节点的簇头可能由于长距离发送数据而过早耗尽自身能量,既不节省能量,又造成了网络分割。而且,一般的算法并没有考虑到簇头节点当前的能量状况,如果能量很低的节点当选为簇首,那么将会加速该节点的死亡,从而影响整个网络的生命周期。



技术实现要素:

本发明的目的在于提供一种基于能量逼近的无线传感网路由方法。该方法除了可以有效地节省网络的剩余能量和延长网络的生命周期外,更降低了算法复杂度、优化了信息传输路径等。

本发明提出了一种基于能量逼近的无线传感网路由方法。其中,所述方法包括:首先,利用已知基站作为坐标原点建立直角坐标系,其它所有节点确立自己的位置信息,计算与基站的距离和剩余能量,所有节点的覆盖距离均为r。然后,每个节点感知周围邻居节点的情况,根据自身剩余能量和临界点的密集程度计算成为簇首的概率,并将此概率值传送至基站。基站根据预先设定的阈值选出个簇首,组成簇首群。最后,基站根据距离逼近的思想选出最终簇首,以完成整个基站覆盖区域内的任意节点之间的信息传输。具体步骤如下:

1)以已知基站位置为坐标原点建立直角坐标系;

2)其他所有节点计算出自身位置、剩余能量和存活邻居节点个数;

3)综合考虑节点的剩余能量和邻居节点个数,计算出每个节点当选簇首的概率值,并将此概率值传送至基站;

4)基站通过预先设定的阈值选出个簇首,组成簇首群;

5)根据距离逼近的思想,构建约束条件,从簇首群中选取出符合条件的簇首,并将簇首信息传送给基站;

6)簇首广播信息,普通节点接收信息,选择合适的簇首加入并通知簇首;

7)簇首根据收到加入簇的节点个数,给本簇的节点安排时隙;

8)数据由远到近进行多跳传输;

9)重复步骤2至步骤8,直至所有节点能量耗尽。

上述步骤1中,以已知基站为坐标原点,坐标为建立直角坐标系。其中要求:节点随机地分布在固定区域,一旦分布位置都不可变动。其它所有节点确立自己的位置信息,并计算与基站的距离和剩余能量,所有节点的覆盖距离均为r,基站的网络范围为R,其中。

上述步骤2中,节点计算自身邻居存活邻居节点个数。即每个节点计算出自身覆盖范围r内的存活节点个数,来反应节点的密集程度。

上述步骤3中,通过步骤1、2中确定下来的所有存活节点的剩余能量及邻居节点个数,利用存活节点的剩余能量和密集程度来计算各个节点当选簇首的概率值,该概率值为:

其中,为比例系数,是当前节点的能量值,是所有节点能量的平均值,是当期节点的密集程度,是当前网络的存活节点个数;

通过此公式,可得出所有节点成为簇首的概率值,即能量高并且密集程度高的节点成为簇首的概率越大。这里,每个节点需将此概率值传送至基站,从而进行下一步骤的操作。

上述步骤4中,基站需预先设定一个阈值。这里阈值取为基站网络范围R内总节点个数N的。即选取步骤3中概率值由大至小排序前的节点作为簇首群。这里,,用户可根据需要自行设定其值大小。

上述步骤5中,具体过程是:首先从簇首群中任意确定一初始簇首,然后参照构建的约束条件逐步择取后续的最优簇首。这里,假定最终所确定的各簇首的坐标为,那么其坐标应满足约束条件:

上述步骤6中,在选择出簇首节点以后,簇首向自己所在的区域进行广播,普通节点接收到此区域的簇首广播信息以后选择合适的簇首加入,向簇首发送加入信息,同时簇首接收普通节点发过来的加入信息。至此,分簇完成。

上述步骤7中,在分簇完成以后,簇首为所在簇的普通节点制定时隙时间表,普通节点在自己所在时隙里将数据传递给簇首。

上述步骤8中,每个簇首接收簇内普通节点的信息,然后进行信息融合。信息传递采用多跳的模型,即由距已知基站远距离的簇首将信息传递给距基站近距离的簇首,实现信息流逐步距离逼近,最后传递给基站。

上述步骤9中,完成了一轮的数据传输之后,重复步骤2至步骤8,直至所有节点的能量耗尽。

本发明技术方案的优点:本发明方法跳过了一般路由算法对节点初始区域分配的步骤,采用直接优先选择最优簇首的方法,大大降低了路由算法的复杂度,并提升了网络系统的运行效率。同时,以已知基站为坐标原点建立直角坐标系,使得复杂路由协议扁平二维化及精准化。另外,结合节点的能量和密集程度来决定节点成为簇首的概率值,提升了优秀节点成为簇首的概率。并且,精准构建坐标约束条件删选簇首及距离逼近思想的运用,使得路由算法更加优化、信息传输路径更加合理。最后并采用了多跳模式来减少信息传递消耗的能量,延长了网络的生命周期。

虽然在下文中将结合一些示例性实施及使用方法来描述本发明,但本领域技术人员应当理解,并不旨在将本发明限制于这些实施例。反之,旨在覆盖包含在所附的权利要求书所定义的本发明的精神与范围内的所有替代品、修正及等效物。

本发明的其它优点、目的和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述,并且在某种程度上,基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的,或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目的和其它优点可以通过下面的说明书,权利要求书,以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述,其中:

图1为本发明的整个网络信息传递的结构示意图。

图2为网络分簇过程的流程图。

图3为存活节点与轮数关系的仿真结果。

图4为网络的剩余能量仿真结果。

具体实施例

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细描述。

图1为本发明的整个网络信息传递的结构示意图。首先,利用已知基站作为坐标原点建立直角坐标系,其它所有节点确立自己的位置信息,计算与基站的距离和剩余能量,所有节点的覆盖距离均为r。然后,每个节点感知周围邻居节点的情况,根据自身剩余能量和临界点的密集程度计算成为簇首的概率,并将此概率值传送至基站。基站根据预先设定的阈值选出个簇首,组成簇首群。最后,基站根据距离逼近的思想选出最终簇首,以完成整个基站覆盖区域内的任意节点之间的信息传输,图2为网络分簇过程的流程图。最后,信息通过由远到近的多跳方式进行传输。

图1示出了本发明方法的整个网络信息传递的结构示意图。其中具体的步骤分为以下三个阶段。

1、标定阶段

以已知基站为坐标原点,坐标为,建立直角坐标系。其中要求:节点随机地分布在固定区域,一旦分布位置都不可变动。

(a) 其它所有节点需确立自己的位置信息,并计算与基站的距离和剩余能量,所有节点的覆盖距离均为r,基站的网络范围为R,其中。

(b) 每个节点计算出自身覆盖范围r内的存活节点个数,来反应节点的密集程度。

2、分簇阶段

(a) 首先是簇首概率计算。利用存活节点的剩余能量和密集程度来计算各个节点当选簇首的概率值,该概率值为:

其中,为比例系数,是当前节点的能量值,是所有节点能量的平均值,是当期节点的密集程度,是当前网络的存活节点个数。通过此公式,可得出所有节点成为簇首的概率值,即能量高并且密集程度高的节点成为簇首的概率越大。这里,每个节点需将此概率值传送至基站,从而进行下一步骤的操作。

(b) 基站需预先设定一个阈值。这里阈值取为基站网络范围R内总节点个数N的。即选取步骤3中概率值由大至小排序前的节点作为簇首群。这里,,用户可根据需要自行设定其值大小。

(c) 基站首先从簇首群中任意确定一初始簇首,然后参照构建的约束条件逐步择取后续的最优簇首。这里,假定最终所确定的各簇首的坐标为,那么其坐标应满足约束条件:

(d) 在选择出簇首节点以后,簇首向自己所在的区域进行广播,普通节点接收到此区域的簇首广播信息以后选择合适的簇首加入,向簇首发送加入信息,同时簇首接收普通节点发过来的加入信息。

至此,分簇完成。

图2示出了网络分簇过程的流程图。即:首先,以已知基站为坐标原点,坐标为,建立直角坐标系。其中要求:节点随机的分布在固定区域,一旦分布位置都不可变动。其它所有节点确立自己的位置信息,并计算与基站的距离和剩余能量,所有节点的覆盖距离均为r,基站的网络范围为R,其中。然后每个节点计算出自身覆盖范围r内的存活节点个数,来反应节点的密集程度。再利用存活节点的剩余能量和密集程度来计算各个节点当选簇首的概率值,该概率值为:

其中,为比例系数,是当前节点的能量值,是所有节点能量的平均值,是当期节点的密集程度,是当前网络的存活节点个数。

通过此公式,可得出所有节点成为簇首的概率值,即能量高并且密集程度高的节点成为簇首的概率越大。这里,每个节点需将此概率值传送至基站,从而进行下一步骤的操作。基站需预先设定一个阈值。这里阈值取为基站网络范围R内总节点个数N的。即选取成为簇首的概率值由大至小排序前的节点作为簇首群。这里,,用户可根据需要自行设定其值大小。基站首先从簇首群中任意确定一初始簇首,然后参照构建的约束条件逐步择取后续的最优簇首。这里,假定最终所确定的各簇首的坐标为,那么其坐标应满足约束条件:

在选择出簇首节点以后,簇首向自己所在的区域进行广播,普通节点接收到此区域的簇首广播信息以后选择合适的簇首加入,向簇首发送加入信息,同时簇首接收普通节点发过来的加入信息。至此,分簇完成。

3、信息传输阶段

在信息传递过程中,节点传输Kbit数据到距离为d的簇首所消耗的能量为:

其中为节点信号发送数据消耗的能量,为发送电路所消耗的能量。和为放大器的系数。为临界距离,。接受段接受K bit数据消耗的能量为:。

通过以上公式可知,节点传输距离大于临界距离时,所消耗的能量会急剧增加,所以本发明采用多跳的传递模式。每个簇接受簇内普通节点的信息,将信息融合,然后由距已知基站远距离的簇首将信息传递给距基站近距离的簇首,逐步距离逼近,最后传递给基站。

最后通过实验仿真验证算法的性能。评估一个算法性能有很多标准,本算法采用网络的生命周期和网络总体的剩余能量在评估改进算法的性能。图3示出了存活节点与轮数关系的仿真结果,结果表明基于能量逼近算法比传统算法的生命周期延长了20%以上;图4示出了整体网络剩余能量的仿真结果,结果表明改进的能量逼近算法可以有效的节约网络的剩余能量。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,显然,本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样,倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内,则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

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