本發(fā)明屬于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于動(dòng)態(tài)可達(dá)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由方法。

背景技術(shù)：

目前，由大量的傳感器節(jié)點(diǎn)通過自組織形成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已廣泛應(yīng)用于軍事感知、物理安全、空中交通控制、交通監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測和建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測等領(lǐng)域。而且隨著WSNs的不斷發(fā)展，低能耗、低成本、多功能的無線傳感器節(jié)點(diǎn)也已逐步應(yīng)用到高效無線通信和電子工業(yè)中。在WSNs中，傳感器節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)就是合作地監(jiān)測所在區(qū)域的環(huán)境信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集和傳輸，而在數(shù)據(jù)的手機(jī)和傳輸過程中會(huì)消耗大量的能量。但是數(shù)以千計(jì)物理內(nèi)嵌的傳感器節(jié)點(diǎn)分布在嚴(yán)酷的地形和多數(shù)的應(yīng)用程序中，不可能通過更換電池來補(bǔ)充能量。因此，為了提高傳輸數(shù)據(jù)的能源效率，很多節(jié)能路由協(xié)議都是通過尋找源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的最小能源路徑來實(shí)現(xiàn)能耗的優(yōu)化。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)計(jì)節(jié)能路由協(xié)議的任務(wù)是多樣的，因?yàn)槠洳粌H包含尋找單傳感器節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的最小能源路徑，而且要平衡整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的剩余能量分布。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)對(duì)能量消耗有很大的影響。事實(shí)上，網(wǎng)絡(luò)在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，只有少量的節(jié)點(diǎn)參與到中繼工作中，而大部分節(jié)點(diǎn)都處于休眠或者監(jiān)測狀態(tài)。算法針對(duì)多源節(jié)點(diǎn)1-D隊(duì)列網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)考慮節(jié)點(diǎn)的傳輸距離和節(jié)點(diǎn)的剩余能量，對(duì)傳輸過程中節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序，選擇最優(yōu)的節(jié)點(diǎn)作為下一跳節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸。即一個(gè)簡單基于1-D隊(duì)列網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的信息采集系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)呈線性部署。當(dāng)一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在其感知范圍內(nèi)檢測到目標(biāo)，它會(huì)采集相關(guān)信息，如方位，速度，和目標(biāo)個(gè)數(shù)等。傳感器節(jié)點(diǎn)將把收集的數(shù)據(jù)發(fā)送到中繼傳感節(jié)點(diǎn)；然后中繼節(jié)點(diǎn)沿節(jié)能路徑通過一跳或多跳轉(zhuǎn)發(fā)的方式將目標(biāo)信息傳送到目的節(jié)點(diǎn)；最后，目的節(jié)點(diǎn)確定綜合的信息并發(fā)送到信息管理中心，同時(shí)，信息管理中心選擇合適的信息并通過網(wǎng)絡(luò)提供給管理員。近幾年，有關(guān)1-D網(wǎng)絡(luò)路由的研究有很多，而且相關(guān)研究都基于單源節(jié)點(diǎn)，而這只是網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中的一部分，在一定程度上不符合實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)需求，有必要研究多源節(jié)點(diǎn)的路由傳輸方案。通過最優(yōu)功率控制和最優(yōu)轉(zhuǎn)發(fā)距離的理論分析，當(dāng)節(jié)點(diǎn)部署在最優(yōu)距離的時(shí)候，能夠?qū)崿F(xiàn)最小的能量消耗；而距離優(yōu)先路由方案考慮1-D隊(duì)列網(wǎng)絡(luò)，選擇最遠(yuǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，使得多跳延時(shí)減小，進(jìn)而降低能量消耗。這二者都未考慮節(jié)點(diǎn)能量的平均消耗問題，導(dǎo)致在大部分節(jié)點(diǎn)還有很多能量的情況下有些節(jié)點(diǎn)能耗過快而造成網(wǎng)絡(luò)分割，降低了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)利用率。而有的方案考慮網(wǎng)絡(luò)的能量優(yōu)先，平衡整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，提高了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的利用率，造成的卻是整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過程跳數(shù)增加，在輪數(shù)據(jù)傳輸過程中浪費(fèi)了更多的能量，造成的代價(jià)是數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延變長，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)剩余能量變低。很多方案只是解決了如何提高單個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量效率，或最小化整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量消耗，并未對(duì)節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)以及其平均能耗進(jìn)行分析和研究。在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，中繼節(jié)點(diǎn)的剩余能量會(huì)直接影響到網(wǎng)絡(luò)的壽命，因此，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的能耗是設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的重要方面。

綜上所述，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)具有有限的能量，一些節(jié)點(diǎn)通常因自身能量耗盡而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)整體無法高效運(yùn)行，因此網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能優(yōu)化成為了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于動(dòng)態(tài)可達(dá)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由方法，旨在解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)具有有限的能量，一些節(jié)點(diǎn)通常因自身能量耗盡而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)整體無法高效運(yùn)行的問題。

本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種基于動(dòng)態(tài)可達(dá)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由方法，所述基于動(dòng)態(tài)可達(dá)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由方法利用節(jié)點(diǎn)有多個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)，采用最遠(yuǎn)跳距減少能耗，同時(shí)考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量，根據(jù)距離與能耗對(duì)鄰居節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排序，選擇最優(yōu)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸；節(jié)點(diǎn)處于監(jiān)測狀態(tài)，當(dāng)被選擇為中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)，執(zhí)行傳輸工作。

進(jìn)一步，傳輸狀態(tài)節(jié)點(diǎn)的選擇，根據(jù)候選節(jié)點(diǎn)P值的排序，從N(h)中確定用于數(shù)據(jù)中繼的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)執(zhí)行數(shù)據(jù)的傳輸工作并消耗一定的能量；即：

for每個(gè)節(jié)點(diǎn)i∈N(h)do；

end for；

P(i)最大的節(jié)點(diǎn)執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸。

進(jìn)一步，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)位置的確定方法包括：

N(h)為節(jié)點(diǎn)h的轉(zhuǎn)發(fā)鄰居節(jié)點(diǎn)組；

利用最優(yōu)能量策略對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)組進(jìn)行排序；

for每個(gè)節(jié)點(diǎn)i∈N(h)do；

end for；

P(i)最大的節(jié)點(diǎn)n執(zhí)行數(shù)據(jù)的傳輸工作，其余保持監(jiān)測狀態(tài)；

Ifn成功收到數(shù)據(jù)包then；

給發(fā)送者回復(fù)一個(gè)響應(yīng)；

for每個(gè)節(jié)點(diǎn)i∈N(h)/n do；

丟棄數(shù)據(jù)包；

end for；

else；

令n＝n′，n′為次優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)；

goto2；

end if；

return。

進(jìn)一步，轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)組的選擇，節(jié)點(diǎn)h發(fā)送數(shù)據(jù)包給目的節(jié)點(diǎn)，h+i是節(jié)點(diǎn)h的一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，如果其靠近最遠(yuǎn)鄰居節(jié)點(diǎn)并且有更多的剩余能量，則鄰居節(jié)點(diǎn)h+i可作為候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)；對(duì)候選節(jié)點(diǎn)依據(jù)到能量等效節(jié)點(diǎn)的距離和每個(gè)節(jié)點(diǎn)的剩余能量排序：

d_h+i-d_h為節(jié)點(diǎn)h和其鄰居節(jié)點(diǎn)h+i之間的距離；E_h+i代表節(jié)點(diǎn)h+i的剩余能量；N(h)為選出的節(jié)點(diǎn)h的候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)；P(h+i)的值越大，節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)越高；最高優(yōu)先級(jí)的候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)作為下一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種利用所述基于動(dòng)態(tài)可達(dá)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由方法無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

本發(fā)明提供的基于動(dòng)態(tài)可達(dá)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由方法，針對(duì)一維(1-D)隊(duì)列網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)中繼問題，提出了基于動(dòng)態(tài)可達(dá)域的路由算法，以達(dá)到能量消耗最小化和網(wǎng)絡(luò)壽命最大化；同時(shí)考慮了節(jié)點(diǎn)之間的距離和節(jié)點(diǎn)的剩余能量，保護(hù)能量較低的節(jié)點(diǎn)。仿真結(jié)果表明，基于動(dòng)態(tài)可達(dá)域的算法能更好的延長網(wǎng)絡(luò)壽命(見表3及圖7)，提高網(wǎng)絡(luò)的性能(見圖5，圖6)；因此本發(fā)明提出了基于動(dòng)態(tài)可達(dá)域的路由算法，通過考慮節(jié)點(diǎn)的傳輸距離與節(jié)點(diǎn)的剩余能量，保持網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)能量消耗平均，從而能夠在最小化能耗的同時(shí)，最大化網(wǎng)絡(luò)壽命。本發(fā)明利用節(jié)點(diǎn)有多個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)，采用最遠(yuǎn)跳距減少能耗，同時(shí)考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量，根據(jù)距離與能耗對(duì)鄰居節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排序，從而選擇最優(yōu)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸；節(jié)點(diǎn)一般處于監(jiān)測狀態(tài)，當(dāng)被選擇為中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)，執(zhí)行傳輸工作；仿真實(shí)驗(yàn)也表明，本發(fā)明的動(dòng)態(tài)可達(dá)路由策略不僅保證了最小的能量消耗，還保護(hù)了剩余能量相對(duì)較低的節(jié)點(diǎn)，在提高能量效率和防止網(wǎng)絡(luò)發(fā)生分割方面都有一定的優(yōu)勢。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的基于動(dòng)態(tài)可達(dá)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由方法流程圖。

圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的一維隊(duì)列中繼模型示意圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的傳輸節(jié)點(diǎn)選擇流程圖。

圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的Square-X網(wǎng)絡(luò)示意圖；

圖中：a Square-1網(wǎng)絡(luò)；b Square-2網(wǎng)絡(luò)；c Square-4網(wǎng)絡(luò)。

圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的平均剩余能量示意圖。

圖6是本發(fā)明實(shí)施例提供的剩余能量標(biāo)準(zhǔn)差示意圖。

圖7是本發(fā)明實(shí)施例提供的網(wǎng)絡(luò)壽命差值(f(T)為周期為Tmin時(shí)對(duì)應(yīng)的傳輸頻率)示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用原理作詳細(xì)的描述。

如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的基于動(dòng)態(tài)可達(dá)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由方法包括以下步驟：

S101：傳輸狀態(tài)節(jié)點(diǎn)的選擇，根據(jù)候選節(jié)點(diǎn)p值的排序，從N(h)中確定用于數(shù)據(jù)中繼的節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)執(zhí)行數(shù)據(jù)的傳輸工作并消耗一定的能量；

S102：轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)位置的確定，節(jié)點(diǎn)h需轉(zhuǎn)發(fā)消息時(shí)如何尋找其下一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)位置。

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用原理作進(jìn)一步的描述。

1相關(guān)模型

1.1基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)模型

本發(fā)明考慮多源節(jié)點(diǎn)1-D隊(duì)列多跳WSN模型，并假設(shè)的方案針對(duì)相對(duì)密集的網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)有多個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)。之所以稱之為多源節(jié)點(diǎn)是因?yàn)槊總€(gè)傳輸數(shù)據(jù)的過程中，數(shù)據(jù)的出發(fā)點(diǎn)是隨機(jī)的，即，在某一周期內(nèi)，任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可能是源節(jié)點(diǎn)。如圖2可見，并且都有他們直接鄰居節(jié)點(diǎn)的位置信息和源節(jié)點(diǎn)及目的節(jié)點(diǎn)的位置信息。每個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)有其最大傳輸范圍R，R范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)都是該節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)。1-D隊(duì)列網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)連通圖G(V,E)構(gòu)造，V為一組對(duì)齊在一行的傳感器節(jié)點(diǎn)，E為通信節(jié)點(diǎn)之間的直接鏈接。將節(jié)點(diǎn)從左到右標(biāo)記為{0,1,2,...,h,n,...,M-1,M}，其中，M節(jié)點(diǎn)為目的節(jié)點(diǎn)，{0,1,2,...,h,n,...,M-1}任意一點(diǎn)為源節(jié)點(diǎn)。令N(h)為節(jié)點(diǎn)h的鄰居節(jié)點(diǎn)組，即n∈N(h)。每個(gè)直接鏈路(h,n)有一個(gè)非負(fù)權(quán)值w(h,n)，表示節(jié)點(diǎn)h與其鄰居節(jié)點(diǎn)傳輸和接收數(shù)據(jù)時(shí)需要的總能量消耗。

1.2能量模型

傳感器節(jié)點(diǎn)在保持傳輸，監(jiān)測狀態(tài)時(shí)，都要消耗相應(yīng)的能量。傳輸狀態(tài)的能量消耗一方面是節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)消耗的能量，另一方面是接收數(shù)據(jù)時(shí)消耗的能量。而監(jiān)測狀態(tài)的能量消耗主要用于對(duì)事件進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)測，在收到數(shù)據(jù)時(shí)觸發(fā)節(jié)點(diǎn)的傳輸工作。節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸?shù)哪芰肯暮捅３直O(jiān)測的能量消耗本發(fā)明采用真實(shí)的測試參數(shù)，即節(jié)點(diǎn)的總能量為790mAh，傳輸?shù)钠骄芎臑?.3mA，而保持監(jiān)測狀態(tài)的平均能耗為1.4mA。將節(jié)點(diǎn)的工作周期分為設(shè)置為1min-10min，由此可得到節(jié)點(diǎn)每個(gè)周期的能耗如下表。

表1節(jié)點(diǎn)能耗參數(shù)

1.3傳輸方案

本發(fā)明針對(duì)多源節(jié)點(diǎn)1-D隊(duì)列多跳WSN模型，提出了基于動(dòng)態(tài)可達(dá)域的路由傳輸方案，并與以下兩種路由方案進(jìn)行對(duì)比。

(1)基于距離優(yōu)先的路由傳輸方案

網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)在傳輸數(shù)據(jù)的過程當(dāng)中，每次參與傳輸工作的節(jié)點(diǎn)越多，網(wǎng)絡(luò)總能量消耗的越快，因此，在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)的傳輸距離選擇最大跳距的鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸，減少了參與傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)數(shù)，從而節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)總能量。但未考慮每個(gè)節(jié)點(diǎn)的剩余能量，在傳輸?shù)倪^程中，可能有部分節(jié)點(diǎn)頻繁參與到傳輸過程中，導(dǎo)致這些節(jié)點(diǎn)能量消耗過快，降低了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的利用率，導(dǎo)致在大部分節(jié)點(diǎn)還有很多能量的時(shí)候就形成網(wǎng)絡(luò)分割。

(2)基于剩余能量優(yōu)先的路由傳輸方案

考慮到節(jié)點(diǎn)的剩余能量，節(jié)點(diǎn)在傳輸數(shù)據(jù)的過程中，每次都選擇自己鄰居節(jié)點(diǎn)中能量最高的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，從而在一定程度上平衡了節(jié)點(diǎn)的能量消耗速率，有利于網(wǎng)絡(luò)壽命的延長。但是另一方面導(dǎo)致了傳輸過程中參與工作的節(jié)點(diǎn)變多，反而使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量消耗變大。

結(jié)合以上兩種方案在節(jié)能和平衡能耗方面的優(yōu)勢，本發(fā)明給出了節(jié)點(diǎn)均勻獨(dú)立分布的大規(guī)模多源節(jié)點(diǎn)1-D隊(duì)列模型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)傳輸方案。通過對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)可達(dá)的節(jié)能策略以保證最小功耗，平衡整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量消耗進(jìn)而保護(hù)剩余能量相對(duì)較低的節(jié)點(diǎn)。該算法選擇傳輸節(jié)點(diǎn)的過程是在節(jié)點(diǎn)傳輸范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)選擇最優(yōu)的節(jié)點(diǎn)，稱之為基于動(dòng)態(tài)可達(dá)域的路由算法。

2基于動(dòng)態(tài)可達(dá)域的路由算法

(1)最優(yōu)能量策略問題

網(wǎng)絡(luò)在傳輸數(shù)據(jù)期間，當(dāng)數(shù)據(jù)逐跳傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)時(shí)，若每次都選擇最遠(yuǎn)鄰居節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸，則這些中繼節(jié)點(diǎn)將比其他節(jié)點(diǎn)耗能更快。這種不均勻的能量消耗快速耗盡了中繼節(jié)點(diǎn)的能量，也顯著降低了網(wǎng)絡(luò)生命時(shí)間，很可能當(dāng)有些節(jié)點(diǎn)的能量還很高的時(shí)候，網(wǎng)路已經(jīng)由于部分節(jié)點(diǎn)失效造成了分割。因此，本發(fā)明算法在考慮距離優(yōu)先的同時(shí)還要考慮中繼節(jié)點(diǎn)的剩余能量。

(2)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)組的選擇

假設(shè)節(jié)點(diǎn)h發(fā)送數(shù)據(jù)包給目的節(jié)點(diǎn)，h+i是節(jié)點(diǎn)h的一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，如果其靠近最遠(yuǎn)鄰居節(jié)點(diǎn)并且有更多的剩余能量，則鄰居節(jié)點(diǎn)h+i可作為候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。對(duì)這些合適的候選節(jié)點(diǎn)依據(jù)到能量等效節(jié)點(diǎn)的距離和每個(gè)節(jié)點(diǎn)的剩余能量排序：

d_h+i-d_h為節(jié)點(diǎn)h和其鄰居節(jié)點(diǎn)h+i之間的距離。E_h+i代表節(jié)點(diǎn)h+i的剩余能量。N(h)為選出的節(jié)點(diǎn)h的候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。P(h+i)的值越大，節(jié)點(diǎn)優(yōu)先級(jí)越高。最高優(yōu)先級(jí)的候選轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)作為下一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。

(3)基于動(dòng)態(tài)可達(dá)域的路由算法

節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要是自身收集的數(shù)據(jù)與其他節(jié)點(diǎn)的中繼數(shù)據(jù)，在此只考慮后者?；趧?dòng)態(tài)可達(dá)域的路由算法將路由過程中的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)分為監(jiān)測狀態(tài)和傳輸狀態(tài)，周期性的進(jìn)行傳輸可以進(jìn)一步節(jié)約并平衡節(jié)點(diǎn)能量的消耗，延長網(wǎng)絡(luò)壽命。該算法描述如下。

1)傳輸狀態(tài)節(jié)點(diǎn)的選擇

根據(jù)候選節(jié)點(diǎn)P值的排序，從N(h)中確定用于數(shù)據(jù)中繼的節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)執(zhí)行數(shù)據(jù)的傳輸工作并消耗一定的能量；即

選擇傳輸節(jié)點(diǎn)的過程如圖3。

2)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)位置的確定

算法1描述了節(jié)點(diǎn)h需轉(zhuǎn)發(fā)消息時(shí)如何尋找其下一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)位置的過程：

下面結(jié)合仿真對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用效果作詳細(xì)的描述。

1性能仿真評(píng)估

1)仿真環(huán)境

本發(fā)明使用OMnet++對(duì)算法進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)?；A(chǔ)網(wǎng)絡(luò)為400個(gè)均勻獨(dú)立分布在正方形每條邊上的節(jié)點(diǎn)組成的1-D隊(duì)列網(wǎng)絡(luò)，單跳最大傳輸距離為30m，節(jié)點(diǎn)的初始能量為790mAh。其他仿真參數(shù)如表2。

本發(fā)明不考慮節(jié)點(diǎn)之間的信號(hào)干擾，通過與兩種路由算法的性能進(jìn)行比較，驗(yàn)證了本發(fā)明算法的優(yōu)越性。

表2仿真參數(shù)

2)評(píng)價(jià)指標(biāo)

a)平均剩余能量：中繼節(jié)點(diǎn)的平均剩余能量越多，表示所有節(jié)點(diǎn)存活時(shí)間越長，從而延長網(wǎng)絡(luò)壽命。

b)剩余能量標(biāo)準(zhǔn)差：使用SRE量化路由協(xié)議的能量平均程度，標(biāo)準(zhǔn)差越高，則節(jié)點(diǎn)消耗能量越不平均，因此低的SRE對(duì)路由協(xié)議而言是很重要的。

c)網(wǎng)絡(luò)壽命：1-D隊(duì)列網(wǎng)絡(luò)的壽命定義為目的節(jié)點(diǎn)無法從源節(jié)點(diǎn)接收包的時(shí)間。網(wǎng)絡(luò)壽命與能量消耗和網(wǎng)絡(luò)分割密切相關(guān)，網(wǎng)絡(luò)壽命越長，能量消耗越平均，網(wǎng)絡(luò)分割出現(xiàn)的越晚。

3)算法評(píng)估

下面將本發(fā)明算法同以下兩種基本算法進(jìn)行了仿真比較：

a)距離優(yōu)先路由算法——即路由過程中每次選擇最大傳輸距離傳輸以減少傳輸節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)以節(jié)約能量；

b)能量優(yōu)先路由算法——即路由過程中，節(jié)點(diǎn)選擇能量最高的鄰居節(jié)點(diǎn)傳輸以平衡節(jié)點(diǎn)的利用率，從而節(jié)約能量。

4)Square-X仿真描述

5)本發(fā)明仿真針對(duì)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中紅外傳感器監(jiān)測某一區(qū)域并周期性的發(fā)送數(shù)據(jù)到目的節(jié)點(diǎn)的過程，稱之為Square-X網(wǎng)絡(luò)，X為網(wǎng)絡(luò)中目的節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。以下為Square-1，Square-2，Square-4網(wǎng)絡(luò)示意圖，如圖4。

6)Square-1網(wǎng)絡(luò)可以簡化為兩個(gè)1-D線性隊(duì)列多跳模型，一個(gè)目的節(jié)點(diǎn)部署在左上角。所有節(jié)點(diǎn)在一個(gè)周期內(nèi)處于監(jiān)測狀態(tài)，保證網(wǎng)絡(luò)區(qū)域不被侵犯，當(dāng)有異?，F(xiàn)象在某時(shí)刻任一節(jié)點(diǎn)附近發(fā)生時(shí)，該節(jié)點(diǎn)將相關(guān)信息及時(shí)傳送到目的節(jié)點(diǎn)。

相應(yīng)的，Square-2網(wǎng)絡(luò)可以簡化為2*2個(gè)1-D線性隊(duì)列多跳模型，Square-4網(wǎng)絡(luò)可以簡化為2*4個(gè)1-D線性隊(duì)列多跳模型，并執(zhí)行相應(yīng)的操作。

Square-X網(wǎng)絡(luò)假設(shè)目的節(jié)點(diǎn)的能量是無限的，或其電源可以人工更換，不考慮能量耗盡的問題。

7)仿真過程

在仿真過程中，分別對(duì)Square-X(X＝1,2,4)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了仿真實(shí)現(xiàn)。并將節(jié)點(diǎn)的工作周期分為1-10min。

假設(shè)在一個(gè)周期內(nèi)，所有的傳感器節(jié)點(diǎn)保持監(jiān)測狀態(tài)，并且一個(gè)周期內(nèi)只有一個(gè)數(shù)據(jù)在任意節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生并通過路由算法發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)，每個(gè)參與路由的節(jié)點(diǎn)工作時(shí)間設(shè)為2.5s。

基于以上假設(shè)，將提出的基于動(dòng)態(tài)可達(dá)域的路由算法和基于距離優(yōu)先與能量優(yōu)先算法進(jìn)行仿真比較。仿真結(jié)果描述如圖5：

圖5描述了Square-X(X＝1,2,4)網(wǎng)絡(luò)三種算法的平均剩余能量隨周期的變化情況?？梢?，隨著周期的變長(1min-10min)，網(wǎng)絡(luò)總的剩余能量都在減少，這是符合實(shí)際情況的。因?yàn)橹芷谠介L，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中傳輸?shù)目倳r(shí)間不變，但是監(jiān)測的時(shí)間變長，導(dǎo)致了能量消耗變大，因此剩余能量相應(yīng)會(huì)變低。在各周期內(nèi)，距離優(yōu)先算法貪婪地選擇最遠(yuǎn)距離進(jìn)行傳輸，由于跳數(shù)減少，減少了傳輸過程中的總能量消耗，顯然能量消耗是最少的；而能量優(yōu)先算法過于考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量，每次選擇剩余能量最高的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，大大增加了一次傳輸過程中參與工作的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，相應(yīng)的消耗了更多的能量，因此該算法使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)最終剩余能量普遍比較低；本發(fā)明算法同時(shí)考慮節(jié)點(diǎn)每跳的距離與鄰居節(jié)點(diǎn)的剩余能量，在盡可能減少傳輸跳數(shù)的同時(shí)加入了對(duì)剩余能量的權(quán)衡，動(dòng)態(tài)的選擇每一跳參與傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)，因此算法運(yùn)行結(jié)束網(wǎng)絡(luò)的平均剩余能量較高，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于能量優(yōu)先算法。因此，基于動(dòng)態(tài)可達(dá)域的算法在網(wǎng)絡(luò)剩余能量方面有一定的優(yōu)勢。

圖6對(duì)比了Square-X(X＝1,2,4)網(wǎng)絡(luò)每種周期下三種算法剩余能量標(biāo)準(zhǔn)差的變化情況。動(dòng)態(tài)可達(dá)域路由機(jī)制的使用，平衡了各個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量消耗速度，本發(fā)明算法的剩余能量標(biāo)準(zhǔn)差與距離優(yōu)先算法相差不大，但是的算法與距離優(yōu)先路由算法相比在一定程度上提高了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的利用率。動(dòng)態(tài)可達(dá)域路由的剩余能量標(biāo)準(zhǔn)差略高于能量優(yōu)先算法的原因是該算法還考慮了傳輸距離的關(guān)系，一定程度上影響了能量的平均，但是結(jié)合圖5可知，的算法在平均剩余能量方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于能量優(yōu)先的算法，因此略高的標(biāo)準(zhǔn)差可以接受。平均剩余能量較高和節(jié)點(diǎn)利用率的提高都證明了本發(fā)明算法的必要性，對(duì)網(wǎng)絡(luò)壽命和網(wǎng)絡(luò)性能都有一定的影響。

表3網(wǎng)絡(luò)壽命統(tǒng)計(jì)

表3描述了Square-X(X＝1,2,4)網(wǎng)絡(luò)三種算法的網(wǎng)絡(luò)壽命隨周期的變化情況。隨著周期變長，網(wǎng)絡(luò)傳輸能量消耗變少，因此各種算法的壽命都相應(yīng)的變長。而且，基于動(dòng)態(tài)可達(dá)域的算法網(wǎng)絡(luò)壽命顯然比其他兩種算法都要長。圖7描述了基于動(dòng)態(tài)可達(dá)域的路由算法與距離優(yōu)先和能量優(yōu)先算法網(wǎng)絡(luò)壽命的差值。表3與圖7結(jié)合都說明了基于動(dòng)態(tài)可達(dá)域算法在網(wǎng)絡(luò)壽命上的優(yōu)越性。而且，由圖7可以看出，隨著網(wǎng)絡(luò)傳輸頻率的升高，基于動(dòng)態(tài)可達(dá)域的路由算法在網(wǎng)絡(luò)壽命上的優(yōu)勢愈加明顯，也為網(wǎng)絡(luò)更好更頻繁的對(duì)環(huán)境監(jiān)測提供了支持。結(jié)合網(wǎng)絡(luò)平均剩余能量和剩余能量標(biāo)準(zhǔn)差的比較，動(dòng)態(tài)可達(dá)域路由算法的平均剩余能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于能量優(yōu)先算法，而且其壽命也較其他兩種算法有一定的優(yōu)勢。因此，這也充分驗(yàn)證了引入動(dòng)態(tài)可達(dá)機(jī)制的正確性和有效性，更好地保證了網(wǎng)絡(luò)的高效運(yùn)行。

本發(fā)明針對(duì)1-D隊(duì)列網(wǎng)絡(luò)的最小化能耗和最大化網(wǎng)絡(luò)生命壽命，提出了基于動(dòng)態(tài)可達(dá)域的路由算法；算法利用節(jié)點(diǎn)有多個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)，采用最遠(yuǎn)跳距減少能耗，同時(shí)考慮節(jié)點(diǎn)的剩余能量，根據(jù)距離與能耗對(duì)鄰居節(jié)點(diǎn)的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排序，從而選擇最優(yōu)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸；節(jié)點(diǎn)一般處于監(jiān)測狀態(tài)，當(dāng)被選擇為中繼節(jié)點(diǎn)時(shí)，執(zhí)行傳輸工作；仿真實(shí)驗(yàn)也表明，本發(fā)明的動(dòng)態(tài)可達(dá)路由策略不僅保證了最小的能量消耗，還保護(hù)了剩余能量相對(duì)較低的節(jié)點(diǎn)，在提高能量效率和防止網(wǎng)絡(luò)發(fā)生分割方面都有一定的優(yōu)勢。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。