一种基于节点冗余度和图着色算法的无线传感器网络路由选择方法与流程

本发明从无线传感器网络节点连通度、信道质量等多方面考虑，运用拓扑学分支—图论的着色贪婪算法计算路径加权值，在分析网络冗余度基础上，寻找传感器网络的最大可行传输路径，属于无线通信技术中的路由传输技术领域。

背景技术：

物联网应用前景广阔，近年来已成为各界重视的研究热点。无线传感器网络是由部署在各类监测区域内大量传感器节点相互通信形成的多跳自组织网络，是物联网底层架构的重要技术形式。无线传感器网络的研究主要经历了两个阶段:第1阶段主要偏重设计小型化的节点设备；第2阶段(现阶段)重点关注网络本身问题的研究。由于传感器节点通常在恶劣的环境中运行，人迹少至导致能源无法及时更换，因此能量效率是无线传感器网络的重要议题。

国内外无线传感器网络路由设计的研究成果主要集中在如下几方面：首先，从能量效率角度设计不同的能量使用和最优路由方案，降低节点能耗；其次，从网络组织架构角度，应用不同的分布式或分簇式等来灵活安排路由架构，提升网络效率；此外，从降低网络干扰、提升频谱效率或系统容量角度，设计各种最优路由。即根据不同的环境和系统要求，从可靠性、安全性、有效性等不同角度出发，选择不同的路由策略，可设计出多种不同的路由算法和系统结构。

技术实现要素：

为了克服已有无线传感器网络路由选择方法的能量消耗整体均衡性较差、网络的生命周期较短的不足，本发明提供了一种能量消耗整体均衡、延长网络的生命周期的基于节点冗余度和图着色算法的无线传感器网络路由选择方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于节点冗余度和图着色算法的无线传感器网络路由选择方法，所述选择方法包括以下步骤：

第一步、首先，寻找网络中的冗余节点，定义被周围节点覆盖率达90％及以上的，即为冗余节点；利用蒙特卡洛的思想，在m×n面积的区域随机取m×n次点，落在所要计算区域的点的个数即为所要求区域的面积；

第二步、建立效用函数，作为图论搜寻最大可行集的依据，传感器节点的集合为n，ri为第i条链路的单位带宽传输速率，di为该链路的传输距离，ei为目的节点剩余能量，则效用函数如下

其中α,β,γ为选取的权重系数，通过效用函数的建立力争寻找剩余能量多、链路通信质量好且传输距离近的节点作为下一跳的节点；

第三步、利用图论贪婪算法寻找最大可行集来确定路由，过程如下：

3.1、将所有点的集合定义为g；

3.2、在g中找出权值u(i)最大的一点，记为s；

3.3、将s并入集合mwis；

3.4、将s的邻居节点从g中删除；

3.5、重复步骤(3.2)、(3.3)、(3.4)，直到g为空集；

3.6、mwis即为最大可行集。

本发明的技术构思为：针对无线传感器网络路由算法研究现状，本发明考虑结合能量效率和网络干扰因素，提出基于网络冗余度和图着色算法的路由选择方法。该算法选择能量消耗最小的路径进行传输，并且有效利用网络中每个节点的能量，尽量让能量消耗整体均衡，以延长网络的生命周期。由于传感器节点通常是数量多且随机分布，容易产生很多冗余节点。在常规路由选择策略中,冗余节点不经常被使用,导致其剩余能量较高，造成能量浪费。同时，冗余节点的能量提早消耗殆尽而陷入休眠对整体网络的影响并不大。因此，本发明将首先寻找网络冗余节点,优先对它们加以利用。此外，对于非冗余节点，则需要兼顾能量消耗的量和消耗的均衡性，当冗余节点大量死亡时，系统采用基于图着色方法进行节点选择，来保持网络正常运作。本发明将图论中的着色贪婪算法引入到路由策略选择中,利用其局部最优化思想和数学标号法,选择合适的路由策略。算法整体分两步走，即首先寻找冗余节点完成传输，此后按照图着色方法进一步确定节点路由。

本发明的有益效果主要表现在：兼顾网络能量均衡性和路由有效性，能量消耗整体均衡，延长网络的生命周期。

附图说明

图1是节点检测范围覆盖图。

图2是无线传感器网络节点随机分布图。

图3是最大路由可行集的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图3，一种基于节点冗余度和图着色算法的无线传感器网络路由选择方法，优先考虑冗余节点在最大可行集中找最优路径，在搜索最优路由过程中，包括以下步骤：

第一步、首先，寻找网络中的冗余节点，定义被周围节点覆盖率达90％及以上的，即为冗余节点；利用蒙特卡洛的思想，在m×n面积的区域随机取m×n次点，落在所要计算区域的点的个数即为所要求区域的面积。如图1所示，若要计算a被邻居节点b、c覆盖的面积，则计算落在a、b相交区域的点的个数，记为sab，同理a、c相交面积记为sac，b、c相交面积记为sbc，a、b、c相交面积记为sabc。则a被b、c覆盖的面积s′aa＝sab+sac-sabc。则a被周围节点覆盖率pa＝s′a/sa。

第二步、建立效用函数，作为图论搜寻最大可行集的依据。传感器节点的集合为n，ri为第i条链路的单位带宽传输速率，di为该链路的传输距离，ei为目的节点剩余能量，则效用函数如下

其中α,β,γ为选取的权重系数。通过效用函数的建立力争寻找剩余能量多、链路通信质量好且传输距离近的节点作为下一跳的节点；

第三步、利用图论贪婪算法寻找最大可行集来确定路由，过程如下：

3.1、将所有点的集合定义为g。

3.2、在g中找出权值u(i)最大的一点，记为s。

3.3、将s并入集合mwis。

3.4、将s的邻居节点从g中删除。

3.5、重复步骤(3.2)、(3.3)、(3.4)，直到g为空集。

3.6、mwis即为最大可行集。

本实施例通过仿真测试对所提方案进行验证。如图2所示为在100×100范围内随机分布的100个传感器节点，其中经过冗余算法检测，红色实心节点为冗余节点。图3所示为随机选取初始节点后，搜寻到的最大可行集作为链路。

技术特征：

技术总结
一种基于节点冗余度和图着色算法的无线传感器网络路由选择方法，包括以下步骤：第一步、首先，寻找网络中的冗余节点，定义被周围节点覆盖率达90％及以上的，即为冗余节点；利用蒙特卡洛的思想，在m×n面积的区域随机取m×n次点，落在所要计算区域的点的个数即为所要求区域的面积；第二步、建立效用函数，作为图论搜寻最大可行集的依据，通过效用函数的建立力争寻找剩余能量多、链路通信质量好且传输距离近的节点作为下一跳的节点；第三步、利用图论贪婪算法寻找最大可行集来确定路由。本发明兼顾网络能量均衡性和路由有效性，能量消耗整体均衡、延长网络的生命周期。

技术研发人员：王丽;李枫;应颂翔;卢为党;沈迪
受保护的技术使用者：浙江工业大学
技术研发日：2017.04.20
技术公布日：2017.09.15