一種基於節點位置信息的無線傳感網路由方法
2023-06-17 19:01:51 1
專利名稱：一種基於節點位置信息的無線傳感網路由方法
技術領域：
本發明涉及無線傳感器網絡路由算法的技術領域，具體涉及一種基於節點位置信息的無線傳感器網絡路由方法。
背景技術：
在對此方法的研究和實踐過程中，本發明的發明人發現:WSN(Wireless SensorNetwork)是一種無基礎設施的網絡，它由一組傳感器節點以自組織方式構成，其目的是協作感知、採集和處理網絡覆蓋地理區域中感知對象的信息，並對這些數據進行處理，獲得詳盡準確的信息，最終將這些信息傳送給需要的用戶。近年來，WSN路由協議的研究一直是無線傳感器網絡研究的熱點。GAF (geographic adaptive fidelity)算法是由YaXu等人提出來的以節點地理位置為依據的分簇算法。它是基於ad hoc網絡所提出的一種層次型拓撲算法，近年來被引入傳感器網絡。在傳感器網絡中，傳感器節點的無線通信模塊在空閒狀態時的能量消耗和在收發狀態時相當，僅通過優化路由協議節約能量消耗是非常有限的，所以需要通過協調機制，關閉大部分節點的通信模塊，才能大幅度地降低無線通信模塊的能量開銷。GAF算法將監測區域劃分為若干虛擬正方形單元格，根據節點間的通信半徑確定單元格的大小，將節點按照位置信息劃入相應的單元格；在每個單元格中定期選舉出一個簇頭節點，只有簇頭節點保持活動，與相鄰的四個單元格進行通信，其他節點進入睡眠狀態，附
圖1所示。仿真試驗結果證明GAF能有 效地節約能量消耗並延長網絡生命期，在節點密度足夠大以保證網絡連通時，網絡生命期隨著密度的提高線性增加。但是，由於節點信號能到達對角單元格中的大多數節點，所以，只向上下左右四個鄰居單元格轉發數據的正方形結構並不是最有效的節能結構。近年，蜂窩(正六邊形)虛擬區域結構被提出，它將監測區域劃分為若干個等邊六邊形。這樣的結構使得數據能被傳送到周圍六個鄰居單元格中，從而覆蓋了更多的鄰居區域，附圖2所示。通過理論分析與仿真比較，蜂窩結構能更有效地提高能量使用效率，從而進一步延長網絡生命期。
發明內容
本發明提供一種能量高效的傳感器網絡的路由方法，可有效的提高能量的利用率，延長網絡的生存時間，並減少信號的傳輸延時。本發明提供一種能量高效的傳感器網絡的路由方法，包括:本發明根據LEACH和GAF算法，網絡初始化後，根據節點的地理位置將監測區域劃分為虛擬的正六邊形單元格，構成一個蜂窩式的拓撲結構。簇頭選舉與節點的剩餘能量以及與單元格中心的距離有關，以此可使簇內信息收集和主幹網絡通信更加穩定,並且避免了每輪簇頭選舉時所有節點相互交換能量信息所需的大量開銷。具體步驟如下:
I)節點根據位置信息和通信半徑將監測區域劃分為若干虛擬的正六邊形單元格；2)第一輪，單元格內各節點計算與單元格中心的距離，根據距離判斷各簇內的簇
頭;
3)簇頭選舉成功後，簇頭根據簇內的節點個數，安排時隙給本簇的節點；
4)簇內節點在向簇頭傳輸數據時，在數據包裡增加競爭能力值3，簇頭將所有節點的競爭能力值P進行排序；；
5)簇頭通過廣播的形式進行數據應答，在應答包內將3值高的前幾個節點ID號和^值發給簇內各節點；
6)下一輪簇頭選舉時，當前簇頭的剩餘能量若低於某一閾值，節點可以很快根據所保留的信息選出新的簇頭；
7)數據傳輸，簇頭數據融合後，通過多跳方式方式把數據傳輸給sink節點；
8)重複步驟3至步驟7，直至所有節點能量耗盡。上述步驟1中，拓撲結構生成前，在網絡初始化時，無線傳感網中的各節點為同構節點，各節點設定一個唯一的標識符ID。根據節點的位置信息和通信半徑，將網絡區域劃分若干虛擬的正六邊形單元格，形成了蜂窩式的網絡拓撲結構，且相鄰單元格中的任意兩個節點都能夠直接通信 。節點已知本身的地理位置和整個監測區域的位置信息，節點可以通過計算得知自己屬於的單元格。每個節點都通過發送消息告知自己所在位置、ID號等信息，得知同一單元格其它節點的信息。上述步驟2中，在蜂窩結構中，綜合考慮各方面因素，當簇頭處於單元格中心時，整個網絡的能量消耗最小。所以，在實際監測環境中，選舉的簇頭離單元格中心距離越近，越能有效地使用能量，以達到節能的目的。網絡初始化後，節點的初始能量一樣，且初始能量都能維持一輪所需的能量消耗，故第一輪簇頭選舉與節點到單元格中心的距離有關，距離越小則當選簇頭的機率越大。上述步驟3中，節點當選簇頭後，發布通告消息告知其他節點自己的簇頭身份，簇頭根據簇內的節點個數，產生一個TDMA定時消息，並且通知該簇中所有節點。當簇內節點收到這個消息後，它們就會在各自的時間槽內發送數據。上述步驟4中，當簇內節點向當前簇頭髮送數據時，在數據包內增加節點的競爭能力值P，該值與節點的剩餘能量及與單元格中心的距離有關，
權利要求
1.一種基於節點位置信息的無線傳感網路由方法，其特徵在於，包括: I)節點根據位置信息和通信半徑將監測區域劃分為若干虛擬正六邊形單元格； 第一輪，單元格內各節點計算與單元格中心的相對距離，根據距離選擇各簇內的簇頭; 簇頭選舉成功後，簇頭根據簇內的節點個數，安排時隙給本簇的節點； 簇內節點在向簇頭傳輸數據時，在數據包內增加各節點的競爭能力值3，簇頭將所有節點的競爭能力值0進行排序； 簇頭通過廣播的形式進行數據應答，在應答包裡將3值高的前幾個節點ID號和@值發給簇內各節點； 下一輪簇頭選舉時，當前簇頭剩餘能量若低於某一閾值，節點可以很快選出競爭能力值最高的節點當選為簇頭； 數據傳輸階段，簇頭將接收的信息融合後，通過多跳方式將數據傳送給sink節點； 重複步驟3至步驟7，直至所有節點能量耗盡。
2.根據權利要求1所述的一種基於節點位置信息的無線傳感網路由方法，其特徵在於所述的步驟I)中，拓撲結構生成前，在網絡初始化時，無線傳感網中的各節點為同構節點，各節點設定一個唯一的標識符ID，根據節點的位置信息和通信半徑，將網絡區域劃分若干虛擬的正六邊形單元格，形成了蜂窩式的網絡拓撲結構，且相鄰單元格中的任意兩個節點都能夠直接通信，節點已知本身的地理位置和整個監測區域的位置信息，節點可以通過計算得知自己屬於的單元格，每 個節點都通過發送消息告知自己所在位置、ID號等信息，得知同一單元格其它節點的信息。
3.根據權利要求1所述的一種基於節點位置信息的無線傳感網路由方法，其特徵在於所述的步驟2)中，在蜂窩結構中，綜合考慮各方面因素，當簇頭處於單元格中心時，整個網絡的能量消耗最小，所以，在實際監測環境中，選舉的簇頭離單元格中心距離越近，越能有效地使用能量，以達到節能的目的，網絡初始化後，節點的初始能量一樣，且初始能量都能維持一輪所需的能量消耗，故第一輪簇頭選舉與節點到單元格中心的距離有關，距離越小則當選簇頭的機率越大。
4.根據權利要求1所述的一種基於節點位置信息的無線傳感網路由方法，其特徵在於所述的步驟3中，節點當選簇頭後，發布通告消息告知其他節點自己的簇頭身份，簇頭根據簇內的節點個數，產生一個TDMA定時消息，並且通知該簇中所有節點，當簇內節點收到這個消息後，它們就會在各自的時間槽內發送數據。
5.根據權利要求1所述的一種基於節點位置信息的無線傳感網路由方法，其特徵在於所述的步驟4中，當簇內節點向當前簇頭髮送數據時，在數據包內增加節點的競爭能力值P，該值與節點的剩餘能量及與單元格中心的距離有關，
6.根據權利要求1所述的一種基於節點位置信息的無線傳感網路由方法，其特徵在於所述的步驟5中，簇頭收到節點發送的數據信息進行處理轉發後，對節點發送的競爭能力值P進行排序，挑選出最有可能成為簇頭的前幾個節點，在通過廣播的方式進行數據應答時，在數據應答包內將排在前幾位的節點編號ID及相關信息發送給簇內各節點，這樣做就不會增加廣播次數，只是以附加的方式就可以使整個簇內節點都能獲得最有可能成為下一輪簇頭的節點的信息。
7.根據權利要求1所述的一種基於節點位置信息的無線傳感網路由方法，其特徵在於所述的步驟6中，當簇頭節點能量低於閾值(剩餘能量小於一輪所需能量)或發生異常，其他節點可以很快根據所保留的信息選出新的簇頭節點，通過該算法每次都可以選出最優的節點當選簇頭，使簇內信息收集更加穩定，並避免了每輪簇頭選舉時所有節點相互交換信息所需的大量開銷。
8.根據權利要 求1所述的一種基於節點位置信息的無線傳感網路由方法，其特徵在於所述的步驟7中，數據傳輸的步驟是:(a)非簇頭節點在簇頭為其分配好的時隙裡傳送數據至簇頭節點；(b)簇頭節點在收齊了簇內節點發送過來數據之後，進行數據融合；(c)簇頭節點按照多跳方式將數據發送至sink節點。
9.根據權利要求1所述的一種基於節點位置信息的無線傳感網路由方法，其特徵在於所述的步驟8中，完成了一輪的數據傳輸之後，重複步驟3至步驟7，直至所有節點能量耗盡。
全文摘要
一種基於節點位置信息的無線傳感網路由方法。該方法是引入了蜂窩式拓撲結構，基於這種蜂窩式結構，在每輪簇頭選舉前，簇內節點向簇頭髮送數據時，在數據包內增加一個競爭能力值，該值由節點的剩餘能量和節點到單元格中心的距離有關，簇頭對簇內節點發送的數據信息進行處理後將競爭能力值進行排序，挑出競爭能力值較高的幾個節點，並通過廣播的形式在數據應答包中把排序前幾個的節點編號和競爭能力值發給簇內各節點，下輪簇頭選舉儘量選擇競爭能力值最高的節點，這樣使簇內信息收集和主幹網絡通信更加穩定，並避免了每輪簇頭選舉時所有節點相互交換能量信息所需的大量開銷，有效地提高能量利用率，以此延長網絡的生命周期。
文檔編號H04W40/10GK103209455SQ20131000340
公開日2013年7月17日 申請日期2013年1月6日 優先權日2013年1月6日
發明者程甜華, 龍承志, 虞貴財, 向滿天, 羅建平, 鄒文生, 餘堯毅, 周海 申請人:南昌大學