一種基于半徑遞增有向成簇的WSN路由設(shè)計方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開一種基于半徑遞增的有向成簇路由設(shè)計方法。首先各傳感器節(jié)點以較小半徑值R

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種基于半徑遞增有向成簇的WSN路由設(shè)計方法
本專利技術(shù)涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由設(shè)計領(lǐng)域。
技術(shù)介紹
在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各項技術(shù)中，路由的設(shè)計是核心問題之一，其作用是尋找一條或多條滿足一定條件的、從源節(jié)點到目的節(jié)點的路徑，然后將數(shù)據(jù)分組沿著所尋找的路徑進行傳送。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能量和硬件資源有限是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)別于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)最主要特點，所以，路由設(shè)計的主要目標是在保證服務(wù)質(zhì)量和安全性能的前提下，盡可能地降低網(wǎng)絡(luò)運行的能量消耗，提高能量消耗的均衡性能。目前的路由機制多采用層次路由設(shè)計方案，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點呈現(xiàn)出簇、鏈、樹相結(jié)合的混合路由結(jié)構(gòu)，不同層次的節(jié)點在完成數(shù)據(jù)采集和處理的基礎(chǔ)上，還在網(wǎng)絡(luò)中承擔(dān)不同的功能，以提高網(wǎng)絡(luò)的運行效率。一個良好的路由協(xié)議在降低網(wǎng)絡(luò)的通信能耗、延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期上具有不可替代的作用。WSN路由協(xié)議的研究成果有許多，但還存在一些問題。路由的設(shè)計必須符合和滿足WSN的特點，如由于能量資源、計算能力、存儲空間等限制，路由的設(shè)計不能采用過于復(fù)雜的算法。另外，由于拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)變化和通信負載較低等特點，路由算法的設(shè)計還存在較大的發(fā)展空間。
技術(shù)實現(xiàn)思路
為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本專利技術(shù)提供一種基于半徑遞增有向成簇的WSN路由設(shè)計方法。首先各傳感器節(jié)點以較小半徑值R0為競選半徑根據(jù)權(quán)值大小進行自由組簇，確定自身屬于簇頭還是簇成員節(jié)點，而后未接入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點擴大競選半徑至2R0進行組簇，根據(jù)權(quán)值公式選擇一個父節(jié)點，如果仍存在節(jié)點未接入網(wǎng)絡(luò)，則該節(jié)點繼續(xù)擴大組網(wǎng)半徑到3R0或4R0，直于所有的節(jié)點均接入網(wǎng)絡(luò)。其中，在半徑R0內(nèi)，允許節(jié)點向相對于基站的反方向進行數(shù)據(jù)傳輸，而在半徑R0以上，則不允許節(jié)點向基站的反方向傳輸數(shù)據(jù)，以免造成能量浪費。同時，本專利技術(shù)明確了權(quán)值計算的具體公式和基準半徑參考值。本專利技術(shù)降低了路由算法的復(fù)雜度，簡化路由路徑生成的步驟，提高了網(wǎng)絡(luò)能量的利用效率和均衡性能，具有一定的社會和經(jīng)濟效益。附圖、表說明圖1是本專利技術(shù)的前向傳輸原理示意圖。圖2是本專利技術(shù)的鏈中組簇原理示意圖。圖3是本專利技術(shù)的宏觀組網(wǎng)流程圖。圖4是本專利技術(shù)的基準半徑R0內(nèi)組簇流程圖。圖5是本專利技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)最終路由結(jié)構(gòu)示意圖。具體實施方式為了使本專利技術(shù)的目的、特征、優(yōu)點更加明顯易懂，下面結(jié)合基礎(chǔ)基論、公式附圖，按照基本原理、宏觀流程、具體步驟的順序?qū)Ρ緦＠夹g(shù)做進一步的詳細說明。(1)基本原理①前向傳輸。如圖1所示，節(jié)點i在選擇向基站傳輸數(shù)據(jù)的下一跳節(jié)點(中繼節(jié)點)時，只能把數(shù)據(jù)傳輸給在其通信范圍內(nèi)距離基站更近的鄰節(jié)點中的一個，其可能的位置為：以基站為中心、基站到節(jié)點i的距離為半徑的圓和以節(jié)點i為中心、以節(jié)點i通信距離參數(shù)dR為半徑的圓的重合區(qū)域，這排除了節(jié)點向后傳輸數(shù)據(jù)的可能。②鏈中組簇。如圖2所示，(c)和(d)為鏈中組簇結(jié)構(gòu)，相對于(a)和(b)所示的鏈結(jié)構(gòu)和簇結(jié)構(gòu)有以下幾個優(yōu)勢：①減少了網(wǎng)絡(luò)的層次，降低了延時；②能夠?qū)?jié)點的能量進行篩選，將低能量節(jié)點以分支形式接入網(wǎng)絡(luò)；③采用小簇形式，降低組簇的能量消耗和簇內(nèi)的維護成本。(2)宏觀流程①圖3為本專利技術(shù)的宏觀組網(wǎng)流程圖。在網(wǎng)絡(luò)初始化后，各節(jié)點首先以較小半徑值R0為進行自由組簇，然后檢測是否還存在節(jié)點沒有進入網(wǎng)絡(luò)，若存在，則以2R0為半徑進行組簇，若仍有節(jié)點未進入網(wǎng)絡(luò)，則繼續(xù)擴大組網(wǎng)半徑，直至所有節(jié)點均進入網(wǎng)絡(luò)。②圖4為節(jié)點以R0為半徑進行組簇流程圖。采用投票方式選擇簇頭，各節(jié)點根據(jù)下列公式計算半徑R0范圍內(nèi)節(jié)點權(quán)值，將票投給權(quán)值最大的節(jié)點，推薦其為備選簇頭，而后各備選簇頭檢查自身周圍是否存在其他備選簇頭，若無其他備選簇頭，則宣布自身成為簇頭，若有，則根據(jù)票數(shù)與權(quán)值確定最終的簇頭。式中，E(i)為節(jié)點剩余能量，為全網(wǎng)節(jié)點平均剩余能量估計值，Ddegree1(i)為節(jié)點的節(jié)點度，w為調(diào)節(jié)系數(shù)。③在組簇半徑大于2R0時，則要求節(jié)點只能向距離基站更近的節(jié)點傳送數(shù)據(jù)，以減少能量的損耗，各節(jié)點在選擇下一跳節(jié)點時采用下列權(quán)值公式：其中，E(j)為節(jié)點的能量，為全網(wǎng)節(jié)點平均剩余能量估計值，w為調(diào)節(jié)系數(shù)，dtoBS(i)和dtoBS(j)分別為節(jié)點i和節(jié)點j到基站的距離，d(i，j)為節(jié)點i和節(jié)點j之間的距離，Dback(j)為節(jié)點j的反向節(jié)點度(即由其節(jié)點度減去其可能的下一跳節(jié)點個數(shù))。(3)具體步驟①初始化。初始化時，節(jié)點須根據(jù)接收基站信號的強度估計自身與基站的近似距離，確定節(jié)點度，并更新路由表、緩存表等信息。②基準半徑R0內(nèi)組簇。在基準半徑R0內(nèi)根據(jù)公式(1)計算權(quán)值選舉簇頭，由簇頭召集簇內(nèi)成員。在這個半徑范圍內(nèi)，允許節(jié)點向距離基站更遠的節(jié)點傳送數(shù)據(jù)。③半徑2R0內(nèi)組網(wǎng)。對于未接入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，擴大組網(wǎng)半徑至2R0，按照公式(2)計算權(quán)值，選擇下一跳節(jié)點。在這個半徑范圍內(nèi)，不允許節(jié)點向距離基站更遠的節(jié)點傳送數(shù)據(jù)。④半徑3R0內(nèi)組網(wǎng)。對于仍未接入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，擴大組網(wǎng)半徑至3R0，按照公式(2)計算權(quán)值，選擇下一跳節(jié)點。在這個半徑范圍內(nèi)，不允許節(jié)點向距離基站更遠的節(jié)點傳送數(shù)據(jù)。⑤最終路由結(jié)構(gòu)。當(dāng)所示節(jié)點均接入網(wǎng)絡(luò)后，得到最終路由路徑。圖5為最終路由路徑示意圖。需要指出的是，具體步驟數(shù)目是不固定的，完成組網(wǎng)的判斷標志為全部節(jié)點均接入網(wǎng)絡(luò)，若存在節(jié)點未接入網(wǎng)絡(luò)剛增加一個基準半徑單位，繼續(xù)組簇，直至生成一個完整的路由路徑。本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種基于半徑遞增有向成簇的WSN路由設(shè)計方法：首先各傳感器節(jié)點以較小半徑值R

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于半徑遞增有向成簇的WSN路由設(shè)計方法：首先各傳感器節(jié)點以較小半徑值R0為競選半徑根據(jù)權(quán)值大小進行自由組簇，確定自身屬于簇頭還是簇成員節(jié)點，而后未接入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點擴大競選半徑至2R0進行組簇，根據(jù)權(quán)值公式選擇一個父節(jié)點，如果仍存在節(jié)點未接入網(wǎng)絡(luò)，則該節(jié)點繼續(xù)擴大組網(wǎng)半徑到3R0或4R0，直于所有的節(jié)點均接入網(wǎng)絡(luò)，其中，在半徑R0內(nèi)，允許節(jié)點向相對于基站的反方向進行數(shù)據(jù)傳輸，而在半徑R0以上，則不允許節(jié)點向基站的反方向傳輸數(shù)據(jù)，以免造成能量浪費；同時，本發(fā)明明確了權(quán)值計算的具體公式和基準半徑參考值；本發(fā)明生成一種綜合了簇、鏈、樹相結(jié)合的混合路由結(jié)構(gòu)，降低了路由算法的復(fù)雜度，提供了一種能量高效、消耗均衡的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)計方案。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于半徑遞增有向成簇的WSN路由設(shè)計方法，其特征是：以基準半徑為步長，逐步擴大節(jié)點的組網(wǎng)半徑，直至所有節(jié)點均接入...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：李長庚，陳東海，王超，
申請(專利權(quán))人：中南大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：湖南,43