一種基于傳輸代價的流量感知路由優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種優(yōu)化方法，具體涉及一種基于傳輸代價的流量感知路由優(yōu)化方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在用電信息采集系統(tǒng)中，采集終端節(jié)點具有位置分散、應(yīng)用場景復(fù)雜等特點，在這 種情況下，以低功耗、低成本為特點的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor networks，WSN) 逐漸獲得了廣泛應(yīng)用。多個采集終端節(jié)點隨機(jī)組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而將采集到的數(shù)據(jù) 以多跳的方式發(fā)送到集中器，由集中器實現(xiàn)遠(yuǎn)程傳送和數(shù)據(jù)存儲。路由方法決定了數(shù)據(jù)如 何中繼和路由，直接影響無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗和性能。
[0003] 傳統(tǒng)的路由算法一般針對無線傳感器節(jié)點能量有限的情況，且沒有考慮無線傳感 器節(jié)點分布和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)流量的不均勻性對路由方法性能的影響。然而在用電信息采 集系統(tǒng)中，無線傳感器節(jié)點可由用電線路持續(xù)供電，不會出現(xiàn)以往的無線傳感器節(jié)點能量 耗盡而死亡的情況。與此同時，采集信息數(shù)據(jù)流一般具有周期性、流量大等特點，常常導(dǎo)致 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)負(fù)載超過了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳輸能力，進(jìn)而導(dǎo)致無線傳感器網(wǎng)絡(luò)擁塞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對用電信息采集系統(tǒng)中無線傳感器節(jié)點能量不受限制和無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)流量大易產(chǎn)生擁塞的特點，提供一種基于傳輸代價的流量感知路由優(yōu)化方法，綜合考慮 無線傳感器節(jié)點能量的有效性和流量的均衡性，基于能量代價和負(fù)載指數(shù)構(gòu)建無線傳感器 節(jié)點的傳輸代價函數(shù)，實現(xiàn)能量有效性和流量均衡性的優(yōu)化匹配。無線傳感器節(jié)點根據(jù)前 向鄰居節(jié)點的傳輸代價，從中選擇傳輸代價最小的前向鄰居節(jié)點作為下一跳。該方法顯著 降低了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)總能耗，同時具有良好的實時性和可靠性。
[0005] 為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案：
[0006] 本發(fā)明提供一種基于傳輸代價的流量感知路由優(yōu)化方法，所述方法包括以下步 驟：
[0007] 步驟1 :確定無線傳感器節(jié)點的前向鄰居節(jié)點；
[0008] 步驟2 :計算前向鄰居節(jié)點的能量代價和負(fù)載指數(shù)；
[0009] 步驟3 :確定前向鄰居節(jié)點的傳輸代價，并確定下一跳路由節(jié)點。
[0010] 所述步驟1中，所述前向鄰居節(jié)點為無線傳感器節(jié)點的下一跳候選節(jié)點的集合； 具體包括以下步驟：
[0011] 步驟1-1 :建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；具體包括：
[0012] I) N個無線傳感器節(jié)點隨機(jī)均勻部署在邊長為L的正方形監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，每個無線 傳感器節(jié)點都具有唯一標(biāo)識，且具有功率控制能力并調(diào)節(jié)至最大通信距離R ;
[0013] 2) sink節(jié)點部署在固定位置，無線傳感器節(jié)點周期性的感知環(huán)境信息，并通過多 跳的路由方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至sink節(jié)點；
[0014] 步驟1-2 :確定無線傳感器節(jié)點的所有前向鄰居節(jié)點；具體包括：
[0015] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用無向圖G (V，E)表示，V表示無線傳感器節(jié)點的集合，E表示可直 接通信的無線傳感器節(jié)點間的無線連接，表示為：
[0016] E= {(i, j) I i e V, j e V U {sink}} (I)
[0017] 式⑴中，i、j表示無線傳感器節(jié)點；
[0018] 設(shè)無線傳感器節(jié)點i的鄰居節(jié)點用m表示，鄰居節(jié)點m形成鄰居節(jié)點集合N(m)定 義為：
[0019] N(m) = {j| j e V,d(i, j) < R} (2)
[0020] 式（2)中，d(i，j)表示無線傳感器節(jié)點i、j之間的距離；
[0021] 從無線傳感器節(jié)點i的鄰居節(jié)點集合N(m)選取無線傳感器節(jié)點i的前向鄰居節(jié) 點q，形成前向鄰居節(jié)點集合FN(q)，F(xiàn)N(q)定義為：
[0022] FN(q) = {j|d(j,s) < d(i,s), j e N(m)} (3)
[0023] 式（3)中，d(i, s)表示無線傳感器節(jié)點i到sink節(jié)點的距離，d(j, s)表示無線傳 感器節(jié)點j到sink節(jié)點的距離。
[0024] 所述步驟2具體包括以下步驟：
[0025] 步驟2-1 :計算前向鄰居節(jié)點的總能量代價；
[0026] 步驟2-2 :計算前向鄰居節(jié)點的負(fù)載指數(shù)。
[0027] 所述步驟2-1中，通過前向鄰居節(jié)點q的能量代價ECiq計算前向鄰居節(jié)點q的總 能量代價EC iiqip;具體包括：
[0028] 前向鄰居節(jié)點q的能量代價ECiq表示為：
C4>
[0030] 式⑷中，d(q, s)表示前向鄰居節(jié)點q到sink節(jié)點的距離，Etx(l, d(i, q))表示 無線傳感器節(jié)點i發(fā)送I bit數(shù)據(jù)到前向鄰居節(jié)點q所消耗的能量，表示為：
(S)
[0032] 式（5)中，1表示無線傳感器節(jié)點i傳輸給前向鄰居節(jié)點q的bit數(shù)；Etx 表 示發(fā)射機(jī)電路處理單位bit數(shù)據(jù)所消耗的能量；d(i, q)表示無線傳感器節(jié)點i到前向鄰 居節(jié)點q的距離；Efs表示自由空間模型下放大電路處理單位bit數(shù)據(jù)所消耗的能量；E 表示多路徑衰減模型下放大電路處理單位bit數(shù)據(jù)所消耗的能量；d。表示距離閾值，且
[0033] 于是，根據(jù)式（4)將前向鄰居節(jié)點q的總能量代價EC1^p表示為：
(6)
[0035] 式（6)中，g表示前向鄰居節(jié)點q轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的估算能量代價，表示為： (73：
[0037] 式（7)中，|FN(q) I表示前向鄰居節(jié)點的個數(shù)，Etx(l，d(q，p))表示前向鄰居節(jié)點q 發(fā)送I bit數(shù)據(jù)到下一跳路由節(jié)點p所消耗的能量，表示為：
(J)
[0039] 式⑶中，d(q，p)表示前向鄰居節(jié)點q到下一跳路由節(jié)點p的距離。
[0040] 所述步驟2-2中，前向鄰居節(jié)點q的負(fù)載指數(shù)用LIq表示，有：
(f):
[0042] 式（9)中，Qq表示前向鄰居節(jié)點q在MAC層緩沖區(qū)的隊列長度，Qniax表示前向鄰居 節(jié)點q在MAC層緩沖區(qū)的隊列最大長度。
[0043] 所述步驟3具體包括以下步驟：
[0044] 步驟3-1 :前向鄰居節(jié)點q的傳輸代價用TClq表示，有：
[0045] TClq= QECliqi^(I-Q)LIq (10)
[0046] 式（10)中，α表示調(diào)節(jié)系數(shù)，且α >0 ;LIq表示前向鄰居節(jié)點q的負(fù)載指數(shù)，EC1^p 表示前向鄰居節(jié)點q的總能量代價ECiiqip;
[0047] 步驟3-2 :選取傳輸代價最小的前向鄰居節(jié)點作為下一跳路由節(jié)點。
[0048] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：
[0049] 本發(fā)明提供一種基于傳輸代價的流量感知路由優(yōu)化方法，綜合考慮無線傳感器節(jié) 點能量的有效性和流量的均衡性，基于能量代價和負(fù)載指數(shù)構(gòu)建無線傳感器節(jié)點的傳輸代 價函數(shù)，實現(xiàn)能量有效性和流量均衡性的優(yōu)化匹配。無線傳感器節(jié)點根據(jù)前向鄰居節(jié)點的 傳輸代價，從中選擇傳輸代價最小的前向鄰居節(jié)點作為下一跳。該方法顯著降低了無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)總能耗，同時具有良好的實時性和可靠性。
【附圖說明】
[0050] 圖1是本發(fā)明實施例中前向鄰居節(jié)點示意圖；
[0051] 圖2是本發(fā)明實施例中節(jié)點位置示意圖。
【具體實施方式】
[0052] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0053] 本發(fā)明提供一種基于傳輸代價的流量感知路由優(yōu)化方法，所述方法包括以下步 驟：
[0054] 步驟1 :確定無線傳感器節(jié)點的前向鄰居節(jié)點；
[0055] 步驟2 :計算前向鄰居節(jié)點的能量代價和負(fù)載指數(shù)；
[0056] 步驟3 :確定前向鄰居節(jié)點的傳輸代價，并確定下一跳路由節(jié)點。
[0057] 所述步驟1中，所述前向鄰居節(jié)點為無線傳感器節(jié)點的下一跳候選節(jié)點的集合； 具體包括以下步驟：
[0058] 步驟1-1 :建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；具體包括：
[0059] 1)N個無線傳感器節(jié)點隨機(jī)均勻部署在邊長為L的正方形監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，每個無線 傳感器節(jié)點都具有唯一標(biāo)識，且具有功率控制能力并調(diào)節(jié)至最大通信距離R ;
[0060] 2) sink節(jié)點部署在固定位置，無線傳感器節(jié)點周期性的感知環(huán)境信息，并通過多 跳的路由方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至sink節(jié)點；
[0061] 每個無線傳感器節(jié)點可持續(xù)供電，不受能量限制，不會出現(xiàn)節(jié)點能量耗盡而死亡 的情況。
[0062] 步驟1-2 :確定無線傳感器節(jié)點的所有前向鄰居節(jié)點；具體包括：
[0063] 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用無向圖G (V，E)表示，V表示無線傳感器節(jié)點的集合，E表示可直 接通信的無線傳感器節(jié)點間的無線連接，表示為：
[0064] E= {(i, j) I i e V, j e V U {sink}} (I)
[0065] 式⑴中，i、j表示無線傳感器節(jié)點；
[0066] 設(shè)無線傳感器節(jié)點i的鄰居節(jié)點用m表示，鄰居節(jié)點m形成鄰居節(jié)點集合N(m)定 義為：
[0067] N(m) = {j| j e V,d(i, j) < R} (2)
[0068] 式（2)中，d(i，j)表示無線傳感器節(jié)點i、j之間的距離；
[0069] 從無線傳感器節(jié)點i的鄰居節(jié)點集合N(m)選取無線傳感器節(jié)點i的前向鄰居節(jié) 點q，形成前向鄰居節(jié)點集合FN(q)，F(xiàn)N(q)定義為：
[0070] FN(q) = {j|d(j,s) < d(i,s), j e N(m)} (3)
[0071] 式（3)中，d(i, s)表示無線傳感器節(jié)點i到sink節(jié)點的距離，d(j, s)表示無線傳 感器節(jié)點j到sink節(jié)點的距離。
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