树型无线传感器网络的路由优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线传感器网络路由领域，具体地涉及一种树型无线传感器网络的路 由优化方法，应用到WSN网络中，能提供对大规模无线组网支持，同时有效提高网络路由效 率和平均生命周期。
【背景技术】
[0002] 无线传感器网络是由部署在监测区域内的传感器节点通过无线通信形成的一个 多跳自组织网络系统。它能协作感知采集和处理覆盖区域中感知对象的信息，并传送给观 察者。无线传感器网络不需要固定网络的支持，具有展开快速，抗毁性强等优点；被广泛应 用于国防军事、国家安全、环境监测、反恐抗灾等领域。
[0003] 路由机制的设计原理如下： 1、节点网络坐标生成机制 树型网络拓扑生成基于LEACH路由协议，在节点的网络地址生成过程中，协调器首先 生成自己的地址，然后发起组网，第一层节点申请加入网络，协调器依次分配相应的网络地 址，然后第一层节点在转发组网指令，外围的第二层节点选择最优节点加入，此时第一层节 点就是该簇的簇首，簇首节点依次给自己的子节点分配网络地址，以此类推，直到所有节点 加入网络。
[0004] 、基于网络地址的路径生成算法 树型网络模型中生成的网络地址反映了节点在网络中的位置信息。它不仅反映了节点 在网络中的第几层，还反映了上层的节点分别是谁，以及自己的子节点有哪些。根据源节点 和目标节点的网络地址，可以计算出节点地址的最小父节点，同时也生成了多跳路径。
[0005] 通常情况下，无线传感器网络中的传感器节点能源有限、存储容量低，计算能力 和通信能力均较弱；网络的寿命很大程度上取决于传感器节点能量消耗的快慢。由于在 LEACH协议中，簇首的选举没有考虑到节点的剩余能量，使得选出的簇首可能不是最佳簇 首；同时，LEACH协议由于没有考虑节点的地理位置，离Sink节点远的簇首能量消耗远远高 于离Sink节点近的簇首，容易产生失效节点，导致网络平均生命周期下降。经典LEACH算 法中簇首节点位置分布不均匀的问题，大大缩短了网络寿命。因此，开发节能的路由协议对 于多媒体无线传感器网络的成功应用来说意义重大。
【发明内容】
[0006] 针对经典LEACH算法中簇首节点位置分布不均匀的问题，本发明目的是：提供一 种树型无线传感器网络的路由优化方法，是基于LEACH路由协议的优化方法，根据节点在 树型网络中的位置生成网络地址，通过网络地址生成路径信息，保障节点间的多跳传输，该 方法使节点的能耗更均衡，有利于提高大规模无线传感器网络的寿命。
[0007] 本发明的技术方案是： 一种树型无线传感器网络的路由优化方法，包括如下步骤： SOI:树型拓扑构建：在WSN物理拓扑的基础上，计算节点剩余能量，通过调整簇首门限 值T(n)轮换选择簇首，构建树型拓扑结构无线网络； S02:网络地址生成与路径产生：基于节点在树型网路中的位置生成网络地址，并根据 网络地址生成任意两个节点间的多跳路由，保障网络中节点之间能够通过多跳的方式发送 信息。
[0008] 优选的，所述步骤SOl具体包括如下步骤： S11:每个节点计算自己的当前剩余能量和初始能量，向其它节点广播其能量信息，并 记录接收到的网络中其它节点的能量信息； S12:节点判断自己剩余能量是否小于初始能量的一半，若是，进入步骤3;否则，进入 步骤4; S13:节点通过计算自己与Sink节点的相对距离以及剩余能量计算调整簇首门限值T(n)，选举出离Sink节点较近且剩余能量较多的节点成为簇首； S14:节点通过计算自己的剩余能量与初始能量的比率，计算调整簇首门限值T(n)，选 举出剩余能量较多的节点成为簇首； :簇首通知网络中其余节点自己被选为簇首；非簇首节点按照设置的参考值选择加入 的簇，并告知相应的簇首； S16:簇首记录簇内节点的数量，当簇内节点数达到预先规定的最大值Nmax时，簇首以 广播方式发送"饱和"信息；收到此信息后，尚未加入该簇的节点将选择其它簇加入；其中， Nmax=K/N，K为每轮通信中簇首的数量，N为网络中剩余节点的数量。
[0009] 优选的，所述调整簇首门限值T(n)的计算公式为：
【主权项】
1. 一种树型无线传感器网络的路由优化方法，其特征在于，包括如下步骤： 501 :树型拓扑构建：在WSN物理拓扑的基础上，计算节点剩余能量，通过调整簇首门限 值T (η)轮换选择簇首，构建树型拓扑结构无线网络； 502 :网络地址生成与路径产生：基于节点在树型网路中的位置生成网络地址，并根据 网络地址生成任意两个节点间的多跳路由，保障网络中节点之间能够通过多跳的方式发送 信息。
2. 根据权利要求1所述的树型无线传感器网络的路由优化方法，其特征在于，所述步 骤SOl具体包括如下步骤： 511 :每个节点计算自己的当前剩余能量和初始能量，向其它节点广播其能量信息，并 记录接收到的网络中其它节点的能量信息； 512 :节点判断自己剩余能量是否小于初始能量的一半，若是，进入步骤S13 ;否则，进 入步骤S14 ; 513 :节点通过计算自己与Sink节点的相对距离以及剩余能量计算调整簇首门限值 T (η)，选举出离Sink节点较近且剩余能量较多的节点成为簇首； 514 :节点通过计算自己的剩余能量与初始能量的比率，计算调整簇首门限值T(n)，选 举出剩余能量较多的节点成为簇首； 515 :簇首通知网络中其余节点自己被选为簇首；非簇首节点按照设置的参考值选择 加入的簇，并告知相应的簇首； 516 :簇首记录簇内节点的数量，当簇内节点数达到预先规定的最大值Nmax时，簇首以 广播方式发送"饱和"信息；收到此信息后，尚未加入该簇的节点将选择其它簇加入；其中， Nmax = K/N，K为每轮通信中簇首的数量，N为网络中剩余节点的数量。
3. 根据权利要求1所述的树型无线传感器网络的路由优化方法，其特征在于，所述调 整簇首门限值Τ(η)的计算公式为：
其中，fPrM??表示节点当前剩余的能量，￡表示节点的最初能量，％Jrtfcest表示 离Sink节点最远的节点与Sink节点间的距离，表示当前节点与Sink节点间的距离，P 为节点成为簇首节点的概率、r为当前轮数，G为电源电压范围的集合。
4. 根据权利要求1所述的树型无线传感器网络的路由优化方法，其特征在于，所述步 骤S02包括如下： 521 :数组arr[d]存储节点的网络地址，协调器将自身网络地址最低位arr[0]置为1， 其它位为0,生成协调器的网络地址，并发送组网请求信标帧； 522 :协调器周围的节点根据收到的信标帧中的信号强度值RSSI，如果RSSI大于阈值 T，则申请加入网络，否则丢弃信标帧； S23 :如果协调器收到节点的入网请求，则为申请加入的节点分配网络地址，地址分配 方法如下，将arr[d]数组的第二位置1，同时第一位还是1，其它位为0,将此地址分配给第 一个申请加入的节点，第二个加入的节点将第arr[d]数组的第二位继续加 1，以此类推； S24:第一轮节点地址分配完毕后，此时这些节点是网络的第一层簇首节点，这些节点 依次发起组网申请，收到第一层簇首节点组网发起帧的节点记录各个簇首节点的RSSI值， 选择最尚的申请加入； 525 :第一层簇首节点收到申请加入帧后，为其分配网络地址，具体分配方法如下：将 自身网络地址的最高0位置1，分配给第一个申请加入的节点，并依次将此位加 1分配给其 它申请加入的节点；此时得到网络地址的节点是网络的第二层簇首节点，第二层节点依次 转发组网申请，并分配网络地址，形成网络的第三层节点； 526 :以此类推，给整个网络分配地址完毕； 527 :根据源节点和目标节点的网络地址，计算两者的最小父节点； 528 :信息根据源节点的网络地址依次往上层节点发送，直到到达最小父节点，然后根 据目标节点的网络地址依次往下层节点发送，直到到达目标节点。
【专利摘要】本发明公开了一种树型无线传感器网络的路由优化方法，包括如下步骤：树型拓扑构建：在WSN物理拓扑的基础上，计算节点剩余能量，通过调整簇首门限值T(n)轮换选择簇首，构建树型拓扑结构无线网络；网络地址生成与路径产生：基于节点在树型网路中的位置生成网络地址，并根据网络地址生成任意两个节点间的多跳路由，保障网络中节点之间能够通过多跳的方式发送信息。在经典LEACH协议基础上优化，将剩余能量和节点间距离因素加入到簇首选举算法设计中网络地址生成方法客观反映了节点的空间位置，节点不必维护庞大的路由表，避免了传感器网络频繁更新路由表造成的能量过快损耗，也节省了硬件开销，为节点间的多跳通信提供依据。
【IPC分类】H04W40-32, H04W40-10, H04W40-20
【公开号】CN104853398
【申请号】CN201510291253
【发明人】周晓明, 谢文祥, 王薇
【申请人】苏州博联科技有限公司
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年6月1日