一种适用于移动无线传感网的节能路由协议的实现方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及移动无线通信技术领域，具体地，涉及一种基于网络节点形成的簇链 结构和移动管理机制降低能量消耗并保证数据传递的适用于移动无线传感网的节能路由 协议。
【背景技术】
[0002] 随着移动互联网技术的快速发展，基于各种移动终端如可穿戴设备的动态信息采 集和远程控制在智能家居等物联网技术平台上显示出巨大的活力。以可穿戴设备作为信息 收集的媒介也符合物联网中对"以人为中心"的数据定义和期望，典型应用就是各种可穿戴 健康监测设备。物联网本质上可以抽象成为无线传感网的模型，由一系列智能传感节点组 成，实现物理信息的采集传输和节点间相互通信。从目前针对无线传感网下的数据收集研 究来看，路由协议的设计和优化是保证数据高效汇聚的关键因素。由于无线传感网中各个 传感节点都是能量受限的，因而节能和高效一直是广大研究人员所关注的重点。但是在一 个包含可穿戴设备的移动传感网络中，除了能量有效性保证可穿戴设备的续航性能力外， 数据包的准确传递也需要通过路由协议的移动管理机制来保障。然而传统的路由协议大多 针对静态传感网，移动性的存在又会给网络带来额外的开销和能耗，因而需要平衡能耗和 数据传递成功率这两个性能指标来实现路由协议的优化提升。
[0003] 经对现有技术的文献检索发现，在论文"Hybrid Routing Protocol for Prolonged Network Lifetime in Large Scale Wireless Sensor Network"（《适用于大 范围无线传感网且延长网络生存时间的的融合路由协议》）中，作者提出了将经典路由协议 LEACH和PEGASIS进行融合的融合路由协议，通过网络节点簇链分级结构的建立来降低网 络的能耗，并提升网络的可扩展性。但是，该协议依旧存在开销和能耗较大的问题，且不支 持节点的移动性，因此，如何设计一个可以同时满足节点移动性并有较高能量效率的路由 协议是一个亟需解决的问题。
【发明内容】
[0004] 本发明针对现有技术的不足，提供了一种适用于移动无线传感网的节能路由协议 的实现方法，主要利用了网络节点簇链分级结构和移动管理机制来实现移动环境中数据的 传输和汇聚，主要包括网络初始化、节点簇链结构建立、数据传输与汇聚以及移动管理和簇 成员更新四个步骤。利用传感节点所形成的簇链分级结构以及链头节点资格判决机制降低 数据传输带来的网络能耗，提高能量的有效性，延长网络的生存时间，并通过移动节点周期 性的簇成员信息更新进行移动管理，保障数据包的成功传递，提高网络的性能。
[0005] 为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的。
[0006] 本发明提供的适用于移动无线传感网的节能路由协议的实现方法，包括如下步 骤：
[0007] 步骤A :网络初始化，sink节点向全网广播HELLO消息；
[0008] 优选地，网络初始化阶段定义了路由协议的操作周期，该操作周期包括建立阶段 和稳态阶段，网络节点簇链结构的建立在建立阶段完成，数据传输与汇聚和移动管理及簇 成员更新在稳态阶段实现。其中，建立阶段包含一个预建立过程，由无效簇头选举流程所 构成，即如果当前选举得到的簇头节点数目较少（例如少于节点总数的3%)则为无效选 举，这样可以减少因成簇不佳带来的能量浪费；稳态阶段又根据链头节点的数目分成I 1 帧，保证了稳态阶段的时长大于建立阶段，有效降低了网络的开销。
[0009] 步骤B :网络节点簇链结构的建立，首先网络中的各个节点独立进行分布式簇头 选举，选举产生的簇头节点依次广播ADVERTISE消息招募各自簇成员节点，并按照贪性算 法形成一条簇头链。优选地，具体如下：
[0010] 步骤Bl :分布式簇头选举，网络中各个节点根据独立计算所得的阈值T(H)=
分别进行独立选举，确定自己在本周期是否 担当簇头节点；式中，P表示网络中预设的簇头节点比例（常为5% )，r表示操作周期数， 也即进行的簇头选举次数，rs表示连续;r /h周期该节点未被选举为簇头节点，E E _ 分别表示当前待选举节点的剩余能量和当前网络中所有节点的剩余能量最大值；因为簇头 节点成链后数据沿簇头链传递和融合，全局参数Eniax被网络中的所有节点所知；
[0011] 步骤B2 :簇头选举有效性判定，选举所得的簇头节点向sink节点报告，如果簇头 节点数目少于网络中节点总数的3%，则视为无效簇头选举，需重新进行簇头选举；
[0012] 步骤B3 :簇头链建立，如果当前簇头选举有效，则从距离sink节点最远的簇头节 点开始依次广播ADVERTISE消息，依照贪性算法的原理，当前广播消息的簇头节点找寻距 离自己最近的簇头节点作为簇头链邻居，之后再由此链邻居广播消息找寻簇头链下一跳邻 居，直到所有簇头节点都包含在簇头链中；在广播过程中，非簇头节点比较来自各个簇头节 点的ADVERTISE消息的RSSI (接收信号强度），确定该非簇头节点应归属的最佳簇类和对应 的簇头节点。
[0013] 步骤C :数据传输与汇聚，簇头节点接收并汇聚本地簇成员节点发送的采集数据， 并将融合的采集数据沿簇头链传送至当前的链头节点，最终发送给sink节点。优选地，具 体如下：
[0014] 步骤Cl :链头节点资格判决，根据一次数据传输的平均耗能准则判定该簇头节点 能否担任当前帧链头节点的角色，使得相比全部簇头节点无条件担任链头节点情况下的传 输与汇聚能耗降低，BP
[0020] 式中，Ee、Ef、Et分别指簇链结构建立阶段、数据传输与汇聚阶段以及链头节点发送 融合数据至sink节点所消耗的能量；E Tx (k，d)表示发送kbit数据距离为d时所消耗的能 量，匕指的是建立阶段广播的ADVERTISE消息的比特数，k指的是采集数据及融合数据的 比特数，?；是指网络中各节点的信息发送范围，d t指的是簇成员节点与对应簇头节点的距 离或簇头节点与簇头链邻居节点的距离，4^是指链头节点到sink节点的距离，E Rx(k)和 Efx (k，η)分别表示接收kbit数据和融合η个kbit数据所消耗的能量;Nch和Ncl分别指的 是簇头节点总数和链头节点总数，下标i和j用以区分不同节点或各个帧内的能量表达；
[0021] 步骤C2 :簇头节点在本地簇内进行采集数据的请求消息广播；
[0022] 步骤C3 :本地簇内数据传输及汇聚，接收到请求消息的簇成员节点会按照TDM规 划表在预分配的时隙内进行数据传输，并由簇头节点进行接收数据的融合和汇聚；
[0023] 步骤C4 :链头节点利用token传递方法进行沿簇头链数据的传递融合，最终由链 头节点发送融合的采集数据至sink节点；
[0024] 步骤C5 :路由维护，如果token消息在沿簇头链传递的过程中，某邻居节点没有回 应，则通过再次传输token消息确认该簇头节点是否死亡，如果死亡，则将死亡节点两侧的 簇头节点相连作为新的邻居完成数据传输，考虑到能耗过大导致的簇头节点死亡，需要结 束当前周期，重新进行簇头选举。
[0025] 步骤D :移动管理及簇成员更新，移动节点通过周期性广播更新请求来进行移动 位置管理和簇成员信息更新。优选地，具体如下：
[0026] 步骤Dl :发射功率调节，移动节点根据收到的数据请求消息的RSSI，进行本地位 置更新，调节发射功率传输数据至簇头节点，即如果RSSI相比之前ADVERTISE消息或是上 一次记录的数据请求消息的RSSI变大，则说明移动节点到簇头节点的距离缩小，只需用更 低的发射功率来传递采集信息，节省能耗且保证数据到达；如果RSSI变小，为了保证数据 的传递率，需要提高发射功率进行数据传输；
[0027] 步骤D2:簇头切换，如果移动节点到簇头节点的距离变大，则说明当前所属的簇 并不是能量最优，这些需要更新簇成员信息的移动节点通过广播簇成员信息更新请求寻找 新的簇头节点；簇头节点根据簇成员的改变重新制定TDM