無線體域網(wǎng)下基于d算法的動態(tài)路由建立方法
【專利摘要】無線體域網(wǎng)下基于D算法的動態(tài)路由建立方法，涉及一種動態(tài)路由方法。是為了平衡了網(wǎng)絡(luò)中的能量消耗，延長整個網(wǎng)絡(luò)的生存周期。其方法：中心節(jié)點使用洪泛的方法獲得網(wǎng)絡(luò)的初始拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、與各節(jié)點間的距離和能量信息；然后得出網(wǎng)絡(luò)的距離坐標(biāo)矩陣；并轉(zhuǎn)化為傳輸能耗矩陣，并進(jìn)行加權(quán)處理，獲得加權(quán)傳輸能耗矩陣；將加權(quán)傳輸能耗矩陣Ew，通過D算法生成權(quán)值矩陣，完成后，每個節(jié)點都能夠找到到達(dá)中心節(jié)點的最低能耗路由；各節(jié)點根據(jù)已選出最低能耗路由進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。本發(fā)明適用于無線體域網(wǎng)下的信號傳輸。
【專利說明】無線體域網(wǎng)下基于D算法的動態(tài)路由建立方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種動態(tài)路由方法。

【背景技術(shù)】
[0002]無線體域網(wǎng)本質(zhì)上是一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其觀測的對象是人體本身，可以判斷人體的動作變化和健康狀況，對于醫(yī)療、娛樂、安全等方面有著十分廣闊的應(yīng)用前景。其網(wǎng)絡(luò)的組成通常包含中心節(jié)點和普通節(jié)點；其中，普通節(jié)點完成對特定數(shù)據(jù)的采集和發(fā)射，通常還需要對其他節(jié)點的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)；中心節(jié)點是網(wǎng)絡(luò)的中心，它接收各節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)并可以進(jìn)行基本的處理，通常中心節(jié)點還有這網(wǎng)關(guān)的功能，使得體域網(wǎng)接入移動網(wǎng)絡(luò)或WLAN，使用戶和專業(yè)人員可以隨時查看。
[0003]無線體域網(wǎng)需要具有自組網(wǎng)功能，數(shù)據(jù)往往經(jīng)過多跳傳輸來實現(xiàn)，因此處在網(wǎng)絡(luò)中間的普通節(jié)點需要承擔(dān)距離中心節(jié)點較遠(yuǎn)節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。無線體域網(wǎng)各個節(jié)點一般由微型電池供電，所以各個節(jié)點所攜帶的能量十分有限，此外，通信鏈路為無線信道，加之人體周圍環(huán)境變化對信道影響的不可預(yù)測性以及各個節(jié)點所測量數(shù)據(jù)類型的不同，因此要根據(jù)無線體域網(wǎng)自身的特點，設(shè)計一種能夠高效利用節(jié)點能量、并且能夠合理分配網(wǎng)絡(luò)整體資源的路由算法是無線體域網(wǎng)所面臨的問題中最為重要的。
[0004]目前，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)路由算法往往選擇匯聚節(jié)點到源節(jié)點之間跳數(shù)最少的路徑傳輸數(shù)據(jù)，但是對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，由于各個節(jié)點的能量十分有限，多次重復(fù)使用同一路徑傳輸數(shù)據(jù)信息，會造成這條路徑上的節(jié)點消耗能量過快，因而過早死亡失效。由于節(jié)點的相繼過早退出，原本一個整體的網(wǎng)絡(luò)變得四分五裂，相互獨立，縮短了整個網(wǎng)絡(luò)的生存周期。
[0005]針對上述問題，基于多路徑機(jī)制的動態(tài)路由算法可以有效的解決上述問題。該算法通過在匯聚節(jié)點和源節(jié)點之間建立多條路徑，再根據(jù)路徑上節(jié)點間的剩余能量情況，選擇一條節(jié)點最小剩余能量最大的路徑來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。與選擇單路徑傳輸?shù)乃惴ū容^，多路徑算法能夠顯著提高整個網(wǎng)絡(luò)的生存周期。
[0006]在實際無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，各個節(jié)點需要靠電池供電，大部分節(jié)點都是相對靜止的。因此，基于多路徑機(jī)制的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)動態(tài)路由算法提出以下假設(shè):
[0007](I)每個節(jié)點是相對靜止的，匯聚節(jié)點接收其它各個節(jié)點傳輸來的數(shù)據(jù)信息；
[0008](2)在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，匯聚節(jié)點的能量為無限大，其它各個節(jié)點的初始能量是相同的；
[0009](3)每一輪通信結(jié)束后，各個節(jié)點計算當(dāng)前的剩余能量值；
[0010](4)所有節(jié)點地位平等，具有相同的計算能力來支持計算路由和信號處理。
[0011]Dijikstra算法(以下簡稱D算法)是由荷蘭計算機(jī)科學(xué)家迪克斯特拉與1959年提出的，是從一個頂點到其余各頂點的最短路徑算法，解決的是有向圖中最短路徑問題。迪杰斯特拉算法主要特點是以起始點為中心向外層層擴(kuò)展，直到擴(kuò)展到終點為止。
[0012]D算法的具體步驟如下:
[0013]已知圖G = (V, E)，將其節(jié)點集分為兩組:置定節(jié)點集GjP未置定節(jié)點集G_Gp。其中Gp內(nèi)的所有置定節(jié)點，是指定點Vs到這些節(jié)點的路徑為最短(即已完成最短路徑的計算)的節(jié)點。而G-Gp內(nèi)的節(jié)點是未置定節(jié)點，即Vs到未置定節(jié)點距離是暫時的，隨著算法的下一步將進(jìn)行不斷調(diào)整，使其成為最短徑。在調(diào)整各未置定節(jié)點的最短徑時，是將Gp中的節(jié)點作為轉(zhuǎn)接點。具體地說，就是將Gp中的節(jié)點作為轉(zhuǎn)接點，計算(vs，Vj)的徑長e G-Gp)，若該次計算的徑長小于上次的值，則更新徑長，否則，徑長不變。計算后取其中徑長最短者，之后將 ' 劃歸到Gp中。當(dāng)(G-Gp)最終成為空集，同時Gp = G，即求得Vs到所有其他節(jié)點的最短路徑。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明是為了平衡了網(wǎng)絡(luò)中的能量消耗，延長整個網(wǎng)絡(luò)的生存周期，從而提供一種無線體域網(wǎng)下基于D算法的動態(tài)路由建立方法。
[0015]無線體域網(wǎng)下基于D算法的動態(tài)路由建立方法，在無線體域網(wǎng)中，它由以下步驟實現(xiàn):
[0016]步驟一、中心節(jié)點使用洪泛的方法獲得網(wǎng)絡(luò)的初始拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、與各節(jié)點間的距離和能量信息，初始化結(jié)束之后，中心節(jié)點獲得如下信息:
[0017]網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的初始拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、各節(jié)點的剩余能量和各節(jié)點的初始能量水平；
[0018]步驟二、根據(jù)步驟一所獲得的拓?fù)湫畔?，得出網(wǎng)絡(luò)的距離坐標(biāo)矩陣DD = ((IijI，Clij為節(jié)點i與節(jié)點j之間距離；
[0019]采用體表的電磁波傳播模型，將網(wǎng)絡(luò)的距離坐標(biāo)矩陣DD轉(zhuǎn)化為傳輸能耗矩陣Etran={eu}，其中，eiJ表示的是節(jié)點i向節(jié)點j發(fā)送數(shù)據(jù)所需消耗的最低能量值；
[0020]步驟三、對步驟二得到的傳輸能耗矩陣Eton進(jìn)行加權(quán)處理，獲得加權(quán)傳輸能耗矩陣Ew = ffTEff, W為根據(jù)節(jié)點剩余能量所得到的權(quán)值矩陣，權(quán)值矩陣W的計算公式為:
[0021]

【權(quán)利要求】
1.無線體域網(wǎng)下基于D算法的動態(tài)路由建立方法，其特征是:在無線體域網(wǎng)中，它由以下步驟實現(xiàn): 步驟一、中心節(jié)點使用洪泛的方法獲得網(wǎng)絡(luò)的初始拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、與各節(jié)點間的距離和能量信息，初始化結(jié)束之后，中心節(jié)點獲得如下信息: 網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的初始拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、各節(jié)點的剩余能量和各節(jié)點的初始能量水平； 步驟二、根據(jù)步驟一所獲得的拓?fù)湫畔?，得出網(wǎng)絡(luò)的距離坐標(biāo)矩陣DD = (ClijI，Clij為節(jié)點i與節(jié)點j之間距離； 采用體表的電磁波傳播模型，將網(wǎng)絡(luò)的距離坐標(biāo)矩陣DD轉(zhuǎn)化為傳輸能耗矩陣Etran ={eij}，其中，eiJ表示的是節(jié)點i向節(jié)點j發(fā)送數(shù)據(jù)所需消耗的最低能量值； 步驟三、對步驟二得到的傳輸能耗矩陣Etran進(jìn)行加權(quán)處理，獲得加權(quán)傳輸能耗矩陣Ew=WtEW, W為根據(jù)節(jié)點剩余能量所得到的權(quán)值矩陣，權(quán)值矩陣W的計算公式為:
其中:設(shè)節(jié)點I為網(wǎng)絡(luò)中的中心節(jié)點，其權(quán)值始終為1，e,表示節(jié)點i的剩余能量，α為常數(shù)系數(shù)；ek表示節(jié)點k的剩余能量； 步驟四、根據(jù)所獲得加權(quán)傳輸能耗矩陣Ew，通過D算法生成權(quán)值矩陣， 具體方法為: 將已知圖G= (V, E)中的節(jié)點集分為兩組:置定節(jié)點集Gp= {vj和未置定節(jié)點集G-Gp，未置定節(jié)點標(biāo)值:
在未置定節(jié)點集G-Gp中找到節(jié)點Vi,使節(jié)點Vs到節(jié)點Vi的距離最小，并將節(jié)點Vi劃歸置定節(jié)點集Gp，并賦予一個距離權(quán)值Cli = Wi ; 以新置定節(jié)點集Gp中的節(jié)點作為轉(zhuǎn)接點，計算并修改未置定節(jié)點集G-Gp中的未置定節(jié)點標(biāo)值Wj ； 重復(fù)在未置定節(jié)點集G-Gp中找到其標(biāo)值最小的節(jié)點并將其加入置定節(jié)點Gp中，每完成一個周期都要更新未置定節(jié)點標(biāo)值％以便進(jìn)行下一周期添加，直至所有Gp = G時，所有的節(jié)點都被置定； 其中:置定節(jié)點集Gp內(nèi)的所有置定節(jié)點:是指定節(jié)點Vs到這些節(jié)點的路徑為最短的節(jié)點，即:已完成最短路徑的計算的節(jié)點； 未置定節(jié)點集G-Gp內(nèi)的節(jié)點是未置定節(jié)點，即:指定節(jié)點Vs到未置定節(jié)點距離是暫時的，最終調(diào)整成為最短徑；在調(diào)整各未置定節(jié)點的最短徑時，是將Gp中的節(jié)點作為轉(zhuǎn)接點；步驟四完成后，每個節(jié)點都能夠找到到達(dá)中心節(jié)點的最低能耗路由； 步驟五、完成路由建立，各節(jié)點根據(jù)已選出最低能耗路由進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線體域網(wǎng)下基于D算法的動態(tài)路由建立方法，其特征在于步驟五中，各節(jié)點根據(jù)已選出最低能耗路由進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，每完成一個時間T，則對權(quán)值矩陣W進(jìn)行一次更新；在權(quán)值矩陣W進(jìn)行更新的同時，檢驗每個節(jié)點的剩余能量； 并逐一判斷每個節(jié)點的剩余能量低于預(yù)設(shè)的保護(hù)門限值Ερι.ο，如果判斷結(jié)果為是，則執(zhí)行步驟五一；如果判斷結(jié)果為否，則執(zhí)行步驟五二 ； 步驟五一、節(jié)點進(jìn)入保護(hù)模式，由于能量過低，停止轉(zhuǎn)發(fā)其它節(jié)點的數(shù)據(jù)，進(jìn)入保護(hù)模式的節(jié)點將其對應(yīng)的能耗矩陣E中的值全部置為最大值，其他任何節(jié)點都不能再通過其向中心節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)； 步驟五二、節(jié)點處于轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，并按照步驟三中的權(quán)值公式，更新權(quán)值矩陣W中該節(jié)點所對應(yīng)的值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線體域網(wǎng)下基于D算法的動態(tài)路由建立方法，其特征在于在每個周期下，檢驗網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點的剩余能量是否高于死亡門限值Edead，如果判斷結(jié)果為是，則執(zhí)行步驟六一；如果判斷結(jié)果為否，則執(zhí)行步驟六二 ； 步驟六一、則該節(jié)點死亡，將該節(jié)點的信息刪除，剩余節(jié)點返回步驟二，組成新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)重新計算路由； 步驟六二、則無節(jié)點死亡，采用更新過的權(quán)值矩陣，返回執(zhí)行步驟四中的過程。
【文檔編號】H04W40/02GK104168619SQ201410443057
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年9月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月2日
【發(fā)明者】李卓明, 毛圣歌, 董旭洋, 沙學(xué)軍, 葉亮, 白旭, 佟興 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)