一種能效優(yōu)化的簇樹分層無線傳感網(wǎng)路由方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種能效優(yōu)化的簇樹分層無線傳感網(wǎng)路由方法，簇建立階段動態(tài)地自動組織聚簇，根據(jù)能量均衡原理并且考慮節(jié)點能量因素隨機選擇簇首節(jié)點，利用最小生成樹普力姆算法構(gòu)建簇樹分層網(wǎng)絡(luò)路由，即將Prim算法中的各點對應(yīng)于無線傳感網(wǎng)絡(luò)中選舉出的簇首節(jié)點，邊的權(quán)重對應(yīng)于各個簇首節(jié)點之間的能量加權(quán)距離，將簇首節(jié)點構(gòu)建成多跳路由網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該協(xié)議在采用能量收集技術(shù)供電的無線傳感網(wǎng)應(yīng)用中合理選擇簇首，實現(xiàn)能量的有效利用；且降低了節(jié)點間的通信代價耗費，避免了由于簇頭節(jié)點長距離通信而過早死亡的問題，有利于延長整個網(wǎng)絡(luò)的生存期；此外，生成樹算法的應(yīng)用增強了協(xié)議的可擴展性。
【專利說明】一種能效優(yōu)化的簇樹分層無線傳感網(wǎng)路由方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種能效優(yōu)化的簇樹分層(Optimized Energy-EfficiencyClustering Tree Hierarchy,簡稱0EECTH)無線傳感網(wǎng)路由方法,屬于無線傳感網(wǎng)路由協(xié)議技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是通信技術(shù)、計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，在軍事國防、環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)療、搶險救災(zāi)、家居保健以及商業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，是21世紀(jì)最重要的技術(shù)之一。近年來，能效優(yōu)化的無線傳感網(wǎng)絡(luò)逐漸成為研究的熱點，其低功耗的思想也與如今倡導(dǎo)的綠色環(huán)保理念相呼應(yīng)。低功耗自適應(yīng)集簇型分層協(xié)議(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy,簡稱 LEACH)是第一個在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中提出的分層路由協(xié)議，之后的大部分分層路由協(xié)議都是在此基礎(chǔ)上發(fā)展來的。LEACH協(xié)議的核心思想是基于分簇的路由協(xié)議，它包含分布式的聚簇形式。LEACH隨機選取一些傳感器節(jié)點作為簇首節(jié)點(cluster heads,簡稱CHs),繼而再將網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點依次等概率地設(shè)為簇首節(jié)點，使得能量可以平均分配給網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點，有利于延長整個網(wǎng)絡(luò)的生存期。在LEACH協(xié)議中，簇首節(jié)點對各個簇中的節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)進行壓縮，再將聚合包發(fā)送給基站，從而減少必須傳遞給基站的信息量。LEACH采用TDMA/CDMA MAC減少簇間網(wǎng)絡(luò)和簇內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的沖突。LEACH協(xié)議有其自身的不足之處:一是所有簇首節(jié)點直接與基站通信，使得遠離基站節(jié)點的簇首能量損耗較快；另一個就是由于簇首是隨機選取的，因此無法保證簇首在網(wǎng)絡(luò)中的分布，影響無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的能耗狀況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種能效優(yōu)化的簇樹分層無線傳感網(wǎng)路由方法，能夠在采用能量收集技術(shù)供電的WSN應(yīng)用中合理選擇簇首，實現(xiàn)能量的有效利用；且可以降低節(jié)點間的通信代價耗費，避免由于簇頭節(jié)點長距離通信而過早死亡的問題；此外，生成樹算法的應(yīng)用增強了協(xié)議的可擴展性。
[0004]技術(shù)方案:為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0005]一種能效優(yōu)化的簇樹分層無線傳感網(wǎng)路由方法，具有如下特點:(1)在簇首選舉階段考慮傳感器節(jié)點能量因素，提高能量較大的節(jié)點作為簇首的概率；(2)基于最小生成樹普利姆(Prim)算法的OEECTH路由生成，避免長距離的簇首節(jié)點直接向基站傳送數(shù)據(jù)能耗過大而過早死亡；該方法具體包括依次執(zhí)行的如下步驟:
[0006]步驟一:簇建立階段動態(tài)地自動組織聚簇，根據(jù)能量均衡原理并且考慮節(jié)點能量因素隨機選舉簇首節(jié)點；
[0007]步驟二:簇建立階段完成后，非簇首節(jié)點將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)傳送到各自所在簇的簇首節(jié)點；
[0008]步驟三:利用最小生成樹普利姆算法構(gòu)建簇樹分層網(wǎng)絡(luò)路由，最小生成樹普利姆算法中的各點對應(yīng)于無線傳感網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)選舉出的簇首節(jié)點、邊的權(quán)重對應(yīng)于各個簇首節(jié)點之間的能量加權(quán)距離，將簇首節(jié)點構(gòu)建成多跳路由網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；
[0009]步驟四:簇首之間的路由建立后，簇首開始通過各自的路由將數(shù)據(jù)傳輸?shù)交荆唤?jīng)過設(shè)定時長后，返回步驟一，網(wǎng)絡(luò)再次進入簇建立階段，進行新一輪簇首節(jié)點選舉。
[0010]具體的，所述步驟一中，在選舉簇首節(jié)點時，考慮如下兩個原則:①能量大的節(jié)點
成為簇首節(jié)點的概率大于能量小的節(jié)點成為簇首節(jié)點的概率；②能量大的節(jié)點在
【權(quán)利要求】
1.一種能效優(yōu)化的簇樹分層無線傳感網(wǎng)路由方法，其特征在于:(1)在簇首選舉階段考慮傳感器節(jié)點能量因素；(2)基于最小生成樹普利姆算法的OEECTH路由生成；該方法具體包括依次執(zhí)行的如下步驟: 步驟一:簇建立階段動態(tài)地自動組織聚簇，根據(jù)能量均衡原理并且考慮節(jié)點能量因素隨機選舉簇首節(jié)點； 步驟二:簇建立階段完成后，非簇首節(jié)點將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)傳送到各自所在簇的簇首節(jié)點； 步驟三:利用最小生成樹普利姆算法構(gòu)建簇樹分層網(wǎng)絡(luò)路由，最小生成樹普利姆算法中的各點對應(yīng)于無線傳感網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)選舉出的簇首節(jié)點、邊的權(quán)重對應(yīng)于各個簇首節(jié)點之間的能量加權(quán)距離，將簇首節(jié)點構(gòu)建成多跳路由網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)； 步驟四:簇首之間的路由建立后，簇首開始通過各自的路由將數(shù)據(jù)傳輸?shù)交?；?jīng)過設(shè)定時長后，返回步驟一，網(wǎng)絡(luò)再次進入簇建立階段，進行新一輪簇首節(jié)點選舉。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能效優(yōu)化的簇樹分層無線傳感網(wǎng)路由方法，其特征在于:所述步驟一中，在選舉簇首節(jié)點時，考慮如下兩個原則:①能量大的節(jié)點成為簇首節(jié)點的概率大于能量小的節(jié)點成為簇首節(jié)點的概率；②能量大的節(jié)點在
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能效優(yōu)化的簇樹分層無線傳感網(wǎng)路由方法，其特征在于:所述步驟二中，簇建立階段完成后:成為簇首的節(jié)點向網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點廣播信息，聲明自己是新的簇首節(jié)點；其他非簇首節(jié)點在獲取該廣播信息后，根據(jù)廣播信號的強度決定加入哪個聚簇，然后申明自己所屬簇的簇首節(jié)點；在獲取到其他節(jié)點歸屬情況和各個簇包含節(jié)點數(shù)后，簇首創(chuàng)建TDMA時隙表并安排每個節(jié)點開始傳輸數(shù)據(jù)的時間點，該時隙表隨后被廣播給簇中的節(jié)點。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的能效優(yōu)化的簇樹分層無線傳感網(wǎng)路由方法，其特征在于:所述步驟三中，簇首之間的路由生成的工作過程描述如下: a、初始狀態(tài)時，各簇首節(jié)點之間廣播信息，信息中包含在本地保存的各簇首節(jié)點的ID、位置和能量信息，通過這些信息選舉出每輪中剩余能量最大的簇首節(jié)點并標(biāo)記為樹根節(jié)點，同時標(biāo)記基站為該簇頭節(jié)點的父節(jié)點； b、該樹根節(jié)點利用最小生成樹普利姆算法構(gòu)造最小生成樹原理，將下一跳中和自己的能量加權(quán)距離最小的簇首節(jié)點標(biāo)記為自己的子節(jié)點，相應(yīng)地該子節(jié)點將此根節(jié)點標(biāo)記為自己的父節(jié)點； C、步驟b中選擇出的子節(jié)點利用相同的方法向下一跳簇首節(jié)點搜索:若該子節(jié)點沒有搜索到有效的能量加權(quán)距離最小的簇首節(jié)點，則返回其父節(jié)點繼續(xù)搜索；若該子節(jié)點搜索到有效的能量加權(quán)距離最小的簇首節(jié)點，則雙方互相標(biāo)記父子節(jié)點并繼續(xù)向下執(zhí)行路由算法; d、重復(fù)步驟C，直至所有簇首`節(jié)點都加入樹中，則成功構(gòu)建出簇樹分層網(wǎng)絡(luò)路由。
【文檔編號】H04W40/02GK103781143SQ201410064542
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年2月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月25日
【發(fā)明者】黃永明, 葉日平, 張皓月, 金石, 楊綠溪 申請人:東南大學(xué)