專利名稱：一種基于節(jié)點位置信息的無線傳感網(wǎng)路由方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡路由算法的技術領域，具體涉及一種基于節(jié)點位置信息的無線傳感器網(wǎng)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(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn):WSN(Wireless SensorNetwork)是一種無基礎設施的網(wǎng)絡，它由一組傳感器節(jié)點以自組織方式構(gòu)成，其目的是協(xié)作感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋地理區(qū)域中感知對象的信息，并對這些數(shù)據(jù)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(xié)議的研究一直是無線傳感器網(wǎng)絡研究的熱點。GAF (geographic adaptive fidelity)算法是由YaXu等人提出來的以節(jié)點地理位置為依據(jù)的分簇算法。它是基于ad hoc網(wǎng)絡所提出的一種層次型拓撲算法，近年來被引入傳感器網(wǎng)絡。在傳感器網(wǎng)絡中，傳感器節(jié)點的無線通信模塊在空閑狀態(tài)時的能量消耗和在收發(fā)狀態(tài)時相當，僅通過優(yōu)化路由協(xié)議節(jié)約能量消耗是非常有限的，所以需要通過協(xié)調(diào)機制，關閉大部分節(jié)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(jiān)測區(qū)域劃分為若干虛擬正方形單元格，根據(jù)節(jié)點間的通信半徑確定單元格的大小，將節(jié)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(jié)點，只有簇頭節(jié)點保持活動，與相鄰的四個單元格進行通信，其他節(jié)點進入睡眠狀態(tài)，附

圖1所示。仿真試驗結(jié)果證明GAF能有 效地節(jié)約能量消耗并延長網(wǎng)絡生命期，在節(jié)點密度足夠大以保證網(wǎng)絡連通時，網(wǎng)絡生命期隨著密度的提高線性增加。但是，由于節(jié)點信號能到達對角單元格中的大多數(shù)節(jié)點，所以，只向上下左右四個鄰居單元格轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的正方形結(jié)構(gòu)并不是最有效的節(jié)能結(jié)構(gòu)。近年，蜂窩(正六邊形)虛擬區(qū)域結(jié)構(gòu)被提出，它將監(jiān)測區(qū)域劃分為若干個等邊六邊形。這樣的結(jié)構(gòu)使得數(shù)據(jù)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(qū)域，附圖2所示。通過理論分析與仿真比較，蜂窩結(jié)構(gòu)能更有效地提高能量使用效率，從而進一步延長網(wǎng)絡生命期。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種能量高效的傳感器網(wǎng)絡的路由方法，可有效的提高能量的利用率，延長網(wǎng)絡的生存時間，并減少信號的傳輸延時。本發(fā)明提供一種能量高效的傳感器網(wǎng)絡的路由方法，包括:本發(fā)明根據(jù)LEACH和GAF算法，網(wǎng)絡初始化后，根據(jù)節(jié)點的地理位置將監(jiān)測區(qū)域劃分為虛擬的正六邊形單元格，構(gòu)成一個蜂窩式的拓撲結(jié)構(gòu)。簇頭選舉與節(jié)點的剩余能量以及與單元格中心的距離有關，以此可使簇內(nèi)信息收集和主干網(wǎng)絡通信更加穩(wěn)定,并且避免了每輪簇頭選舉時所有節(jié)點相互交換能量信息所需的大量開銷。具體步驟如下:
I)節(jié)點根據(jù)位置信息和通信半徑將監(jiān)測區(qū)域劃分為若干虛擬的正六邊形單元格；2)第一輪，單元格內(nèi)各節(jié)點計算與單元格中心的距離，根據(jù)距離判斷各簇內(nèi)的簇
頭;
3)簇頭選舉成功后，簇頭根據(jù)簇內(nèi)的節(jié)點個數(shù)，安排時隙給本簇的節(jié)點；
4)簇內(nèi)節(jié)點在向簇頭傳輸數(shù)據(jù)時，在數(shù)據(jù)包里增加競爭能力值3，簇頭將所有節(jié)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(shù)據(jù)應答，在應答包內(nèi)將3值高的前幾個節(jié)點ID號和^值發(fā)給簇內(nèi)各節(jié)點；
6)下一輪簇頭選舉時，當前簇頭的剩余能量若低于某一閾值，節(jié)點可以很快根據(jù)所保留的信息選出新的簇頭；
7)數(shù)據(jù)傳輸，簇頭數(shù)據(jù)融合后，通過多跳方式方式把數(shù)據(jù)傳輸給sink節(jié)點；
8)重復步驟3至步驟7，直至所有節(jié)點能量耗盡。上述步驟1中，拓撲結(jié)構(gòu)生成前，在網(wǎng)絡初始化時，無線傳感網(wǎng)中的各節(jié)點為同構(gòu)節(jié)點，各節(jié)點設定一個唯一的標識符ID。根據(jù)節(jié)點的位置信息和通信半徑，將網(wǎng)絡區(qū)域劃分若干虛擬的正六邊形單元格，形成了蜂窩式的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，且相鄰單元格中的任意兩個節(jié)點都能夠直接通信 。節(jié)點已知本身的地理位置和整個監(jiān)測區(qū)域的位置信息，節(jié)點可以通過計算得知自己屬于的單元格。每個節(jié)點都通過發(fā)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(jié)點的信息。上述步驟2中，在蜂窩結(jié)構(gòu)中，綜合考慮各方面因素，當簇頭處于單元格中心時，整個網(wǎng)絡的能量消耗最小。所以，在實際監(jiān)測環(huán)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(jié)能的目的。網(wǎng)絡初始化后，節(jié)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(jié)點到單元格中心的距離有關，距離越小則當選簇頭的幾率越大。上述步驟3中，節(jié)點當選簇頭后，發(fā)布通告消息告知其他節(jié)點自己的簇頭身份，簇頭根據(jù)簇內(nèi)的節(jié)點個數(shù)，產(chǎn)生一個TDMA定時消息，并且通知該簇中所有節(jié)點。當簇內(nèi)節(jié)點收到這個消息后，它們就會在各自的時間槽內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)。上述步驟4中，當簇內(nèi)節(jié)點向當前簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)時，在數(shù)據(jù)包內(nèi)增加節(jié)點的競爭能力值P，該值與節(jié)點的剩余能量及與單元格中心的距離有關，
權(quán)利要求
1.一種基于節(jié)點位置信息的無線傳感網(wǎng)路由方法，其特征在于，包括: I)節(jié)點根據(jù)位置信息和通信半徑將監(jiān)測區(qū)域劃分為若干虛擬正六邊形單元格； 第一輪，單元格內(nèi)各節(jié)點計算與單元格中心的相對距離，根據(jù)距離選擇各簇內(nèi)的簇頭; 簇頭選舉成功后，簇頭根據(jù)簇內(nèi)的節(jié)點個數(shù)，安排時隙給本簇的節(jié)點； 簇內(nèi)節(jié)點在向簇頭傳輸數(shù)據(jù)時，在數(shù)據(jù)包內(nèi)增加各節(jié)點的競爭能力值3，簇頭將所有節(jié)點的競爭能力值0進行排序； 簇頭通過廣播的形式進行數(shù)據(jù)應答，在應答包里將3值高的前幾個節(jié)點ID號和@值發(fā)給簇內(nèi)各節(jié)點； 下一輪簇頭選舉時，當前簇頭剩余能量若低于某一閾值，節(jié)點可以很快選出競爭能力值最高的節(jié)點當選為簇頭； 數(shù)據(jù)傳輸階段，簇頭將接收的信息融合后，通過多跳方式將數(shù)據(jù)傳送給sink節(jié)點； 重復步驟3至步驟7，直至所有節(jié)點能量耗盡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于節(jié)點位置信息的無線傳感網(wǎng)路由方法，其特征在于所述的步驟I)中，拓撲結(jié)構(gòu)生成前，在網(wǎng)絡初始化時，無線傳感網(wǎng)中的各節(jié)點為同構(gòu)節(jié)點，各節(jié)點設定一個唯一的標識符ID，根據(jù)節(jié)點的位置信息和通信半徑，將網(wǎng)絡區(qū)域劃分若干虛擬的正六邊形單元格，形成了蜂窩式的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，且相鄰單元格中的任意兩個節(jié)點都能夠直接通信，節(jié)點已知本身的地理位置和整個監(jiān)測區(qū)域的位置信息，節(jié)點可以通過計算得知自己屬于的單元格，每 個節(jié)點都通過發(fā)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(jié)點的信息。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于節(jié)點位置信息的無線傳感網(wǎng)路由方法，其特征在于所述的步驟2)中，在蜂窩結(jié)構(gòu)中，綜合考慮各方面因素，當簇頭處于單元格中心時，整個網(wǎng)絡的能量消耗最小，所以，在實際監(jiān)測環(huán)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(jié)能的目的，網(wǎng)絡初始化后，節(jié)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(jié)點到單元格中心的距離有關，距離越小則當選簇頭的幾率越大。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于節(jié)點位置信息的無線傳感網(wǎng)路由方法，其特征在于所述的步驟3中，節(jié)點當選簇頭后，發(fā)布通告消息告知其他節(jié)點自己的簇頭身份，簇頭根據(jù)簇內(nèi)的節(jié)點個數(shù)，產(chǎn)生一個TDMA定時消息，并且通知該簇中所有節(jié)點，當簇內(nèi)節(jié)點收到這個消息后，它們就會在各自的時間槽內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于節(jié)點位置信息的無線傳感網(wǎng)路由方法，其特征在于所述的步驟4中，當簇內(nèi)節(jié)點向當前簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)時，在數(shù)據(jù)包內(nèi)增加節(jié)點的競爭能力值P，該值與節(jié)點的剩余能量及與單元格中心的距離有關，
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于節(jié)點位置信息的無線傳感網(wǎng)路由方法，其特征在于所述的步驟5中，簇頭收到節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)信息進行處理轉(zhuǎn)發(fā)后，對節(jié)點發(fā)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(jié)點，在通過廣播的方式進行數(shù)據(jù)應答時，在數(shù)據(jù)應答包內(nèi)將排在前幾位的節(jié)點編號ID及相關信息發(fā)送給簇內(nèi)各節(jié)點，這樣做就不會增加廣播次數(shù)，只是以附加的方式就可以使整個簇內(nèi)節(jié)點都能獲得最有可能成為下一輪簇頭的節(jié)點的信息。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于節(jié)點位置信息的無線傳感網(wǎng)路由方法，其特征在于所述的步驟6中，當簇頭節(jié)點能量低于閾值(剩余能量小于一輪所需能量)或發(fā)生異常，其他節(jié)點可以很快根據(jù)所保留的信息選出新的簇頭節(jié)點，通過該算法每次都可以選出最優(yōu)的節(jié)點當選簇頭，使簇內(nèi)信息收集更加穩(wěn)定，并避免了每輪簇頭選舉時所有節(jié)點相互交換信息所需的大量開銷。
8.根據(jù)權(quán)利要 求1所述的一種基于節(jié)點位置信息的無線傳感網(wǎng)路由方法，其特征在于所述的步驟7中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟襟E是:(a)非簇頭節(jié)點在簇頭為其分配好的時隙里傳送數(shù)據(jù)至簇頭節(jié)點；(b)簇頭節(jié)點在收齊了簇內(nèi)節(jié)點發(fā)送過來數(shù)據(jù)之后，進行數(shù)據(jù)融合；(c)簇頭節(jié)點按照多跳方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至sink節(jié)點。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于節(jié)點位置信息的無線傳感網(wǎng)路由方法，其特征在于所述的步驟8中，完成了一輪的數(shù)據(jù)傳輸之后，重復步驟3至步驟7，直至所有節(jié)點能量耗盡。
全文摘要
一種基于節(jié)點位置信息的無線傳感網(wǎng)路由方法。該方法是引入了蜂窩式拓撲結(jié)構(gòu)，基于這種蜂窩式結(jié)構(gòu)，在每輪簇頭選舉前，簇內(nèi)節(jié)點向簇頭發(fā)送數(shù)據(jù)時，在數(shù)據(jù)包內(nèi)增加一個競爭能力值，該值由節(jié)點的剩余能量和節(jié)點到單元格中心的距離有關，簇頭對簇內(nèi)節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)信息進行處理后將競爭能力值進行排序，挑出競爭能力值較高的幾個節(jié)點，并通過廣播的形式在數(shù)據(jù)應答包中把排序前幾個的節(jié)點編號和競爭能力值發(fā)給簇內(nèi)各節(jié)點，下輪簇頭選舉盡量選擇競爭能力值最高的節(jié)點，這樣使簇內(nèi)信息收集和主干網(wǎng)絡通信更加穩(wěn)定，并避免了每輪簇頭選舉時所有節(jié)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(wǎng)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(yōu)先權(quán)日2013年1月6日
發(fā)明者程甜華, 龍承志, 虞貴財, 向滿天, 羅建平, 鄒文生, 余堯毅, 周海 申請人:南昌大學