本發(fā)明涉及一種無線傳感網(wǎng)中按需移動(dòng)sink的多徑地理路由優(yōu)化方法，屬于無線傳感網(wǎng)中移動(dòng)通信路由算法領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：隨著信息時(shí)代的飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用也紛至沓來，而傳感器是物聯(lián)網(wǎng)中不可或缺的組成部分，當(dāng)前對(duì)無線傳感網(wǎng)的研究熱度也愈演愈烈，無線傳感網(wǎng)(WSN)是由許多分布式部署的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的無線網(wǎng)絡(luò)，這些傳感器負(fù)責(zé)將感知的數(shù)據(jù)通過單跳單徑或者多跳多徑轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點(diǎn)(sink節(jié)點(diǎn))，由于傳感器是由有限能量的電池供電，因此，節(jié)點(diǎn)部署和路由協(xié)議設(shè)計(jì)都需要從節(jié)能的角度出發(fā)，最大限度的均衡能耗，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。這對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的普及具有重要的理論和實(shí)用價(jià)值。在無線傳感網(wǎng)中，若sink節(jié)點(diǎn)固定，則稱之為靜態(tài)無線傳感網(wǎng)，其優(yōu)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎鄬?duì)穩(wěn)定，缺點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)易出現(xiàn)“早死亡”現(xiàn)象。這是因?yàn)閟ink節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)不僅向sink節(jié)點(diǎn)發(fā)送自身感知的數(shù)據(jù)，而且承擔(dān)其他傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的中繼任務(wù)，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)能耗不均。Hidenhisa等人提出SPAT(SinkMobilityBasedonClusteringandSetPackingTechniques)算法，采用執(zhí)行器控制sink的移動(dòng)，其將分簇和眾包技術(shù)結(jié)合控制sink的移動(dòng)。提高了數(shù)據(jù)搜集效率，但增加 了網(wǎng)絡(luò)成本，而且，sink頻繁移動(dòng)無法持續(xù)的保持與骨干網(wǎng)絡(luò)的正常連接。為提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量，均衡網(wǎng)絡(luò)資源并最大化的延長網(wǎng)絡(luò)生命周期，引入了多路徑機(jī)制，ChenMin等人提出能效和負(fù)載均衡的多徑地理路由算法(DGR)，依據(jù)計(jì)算的關(guān)鍵能量進(jìn)行路徑選擇，避開剩余能量較小的節(jié)點(diǎn)以最大化網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間。但沒有考慮sink節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)以便解決鄰居節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)的“能量空穴”問題。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：技術(shù)問題：本發(fā)明針對(duì)上述方案中存在的不足，提出了一種無線傳感網(wǎng)中按需移動(dòng)sink的多徑地理路由優(yōu)化方法，即DMRA算法。該方法不僅均衡了網(wǎng)絡(luò)能耗，提高了網(wǎng)絡(luò)性能，而且，最大化的延長了網(wǎng)絡(luò)生命周期。技術(shù)方案：本發(fā)明提出一種無線傳感網(wǎng)中按需移動(dòng)sink的多徑地理路由優(yōu)化方法，該方法利用剩余能量、時(shí)間和目標(biāo)函數(shù)等多重參數(shù)約束sink節(jié)點(diǎn)的頻繁移動(dòng)，鄰居表和路徑表采用分離式建立的過程，以降低鄰居節(jié)點(diǎn)鄰居表的更新量，在搜索路由時(shí)，采用改進(jìn)的禁忌搜索算法有效防止最優(yōu)路徑的丟失。為避免無效路由，采用“短板”原理對(duì)鏈路的健康指數(shù)進(jìn)行檢測。有效提高網(wǎng)絡(luò)性能，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。假設(shè)N個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)均勻地隨機(jī)分布在以sink節(jié)點(diǎn)為圓心半徑為l的圓形區(qū)域，節(jié)點(diǎn)的通信半徑為r(r＞0，r＜＜l)。假定所有節(jié)點(diǎn)的 數(shù)據(jù)生成率相同，每單位時(shí)間生產(chǎn)一個(gè)包。節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸率相同，節(jié)點(diǎn)的傳輸功率不變。節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的總時(shí)間記為∑t；節(jié)點(diǎn)的更新周期記為T；移動(dòng)更新狀態(tài)標(biāo)識(shí)記為MFlag；剩余能量為Erem，成功傳輸k比特?cái)?shù)據(jù)的最低能量記為Emin(k)。節(jié)點(diǎn)的初始能量均為E0，節(jié)點(diǎn)感知、注冊(cè)、無線電的傳輸和接收k比特包的總能耗Edl(k)，由公式(1)計(jì)算。Eall(k)＝Esen(k)+Emem(k)十Etra(k，d)+Erec(k)(1)其中，Esen(k)表示感知能耗，Emem(k)表示將感知數(shù)據(jù)讀寫入內(nèi)存的能耗，Etra(k，d)表示傳輸k比特包的傳輸能耗，d表示傳感器與事件發(fā)生點(diǎn)的距離，Erec(k)表示接收k比特包的接收能耗。節(jié)點(diǎn)剩余能量Erem由公式(2)計(jì)算。Erem＝E0-Eall(k)-Eupd(k)(2)其中，Eupd(k)表示鄰居表更新的能耗。當(dāng)鄰居表不更新時(shí)，Eupd(k)＝0。其具體步驟如下：步驟一，鄰居表建立階段：S1：初始化網(wǎng)絡(luò)配置，sink節(jié)點(diǎn)的MFlag＝false；S2：若節(jié)點(diǎn)i的∑t＞T，則按照以下步驟建立鄰居表；a、迭代：由公式(3)計(jì)算節(jié)點(diǎn)i(i＝1)與節(jié)點(diǎn)j(j＝i+1)的距離D；D=(Six(t)-Sjx(t))2+(Siy(t)-Sjy(t))2---(3)]]>其中，表示節(jié)點(diǎn)i，在t時(shí)刻時(shí)的位置坐標(biāo)。b、若D＜＝r，則節(jié)點(diǎn)i廣播REQ消息；c、若收到REQ消息的節(jié)點(diǎn)是sink節(jié)點(diǎn)，sink節(jié)點(diǎn)檢測其MFlag是 否為真，若為真，說明sink進(jìn)行了移動(dòng)，則重新建立鄰居表，轉(zhuǎn)S5，否則，不更新鄰居表；d、若收到REQ消息的節(jié)點(diǎn)不是sink節(jié)點(diǎn)，則判斷REQ中節(jié)點(diǎn)i是否滿足條件：Erem＞Emin，若是，則判斷節(jié)點(diǎn)i是否同時(shí)收到兩個(gè)或兩個(gè)以上的REQ，若是，由REQ中的跳數(shù)信息，按照跳數(shù)從小到大的順序，將節(jié)點(diǎn)加入鄰居表，轉(zhuǎn)S6；否則，轉(zhuǎn)e；e、按照收到的REQ的時(shí)間順序加入鄰居表，轉(zhuǎn)S6；f、若REQ中節(jié)點(diǎn)i不滿足條件：Erem＞Emin，則節(jié)點(diǎn)i不加入鄰居表，i++；g、若D＞r，i++，轉(zhuǎn)h；h、若i＜N-1，則轉(zhuǎn)a；否則，轉(zhuǎn)S4；S3：若節(jié)點(diǎn)i的∑t＜T，則轉(zhuǎn)S4；S4：判斷MFlag是否為真，若為真，則轉(zhuǎn)S5；否則節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠或監(jiān)測狀態(tài)；S5：sink節(jié)點(diǎn)廣播當(dāng)前位置信息和先前的鄰居和當(dāng)前鄰居節(jié)點(diǎn)；鄰居節(jié)點(diǎn)更新鄰居表；S6：輸出鄰居表NQue；步驟二，路徑表建立階段：T1：由S6，按照幾何公式(4)計(jì)算節(jié)點(diǎn)i與sink間的距離D；D=(Six(t)-DSx(t))2+(Siy(t)-DSy(t))2---(4)]]>T2：若D＜＝r，則通信范圍內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)均發(fā)送ACK消息，若sink節(jié)點(diǎn)收到節(jié)點(diǎn)i的ACK消息，則節(jié)點(diǎn)按照ACK的接收時(shí)間順序加入路 徑表隊(duì)列PQue，轉(zhuǎn)T8；否則，說明節(jié)點(diǎn)故障，則節(jié)點(diǎn)i加入禁忌表隊(duì)列TQue，轉(zhuǎn)T8；T3：若D＞r，則sink通信范圍外的節(jié)點(diǎn)j通過多跳發(fā)送ReACK包；T4：若sink收到ReACK包，則將節(jié)點(diǎn)j按照接收ReACK的時(shí)間順序加入PQue；否則轉(zhuǎn)T5；T5：判斷節(jié)點(diǎn)j是否滿足以下兩個(gè)條件：條件(1)：節(jié)點(diǎn)j的Erem＜＝Emin條件(2)：節(jié)點(diǎn)j所在的路徑為“短板”路徑T6：若滿足，則sink節(jié)點(diǎn)移動(dòng)，MFlag＝true，轉(zhuǎn)步驟一；T7：若不滿足，則sink節(jié)點(diǎn)不移動(dòng)，通過節(jié)點(diǎn)j的鄰居節(jié)點(diǎn)獲取j的信息；T8：輸出PQue和TQue。步驟三，路由表建立階段：R1：由T8得到PQue，若PQue不為空，迭代比較，目標(biāo)函數(shù)值最優(yōu)的路徑加入PQue和TQue；轉(zhuǎn)R2；R2：輸出路由表RQue；R3：當(dāng)PQue為空時(shí)，終止迭代，轉(zhuǎn)R4；R4：調(diào)用步驟二，建立路徑表，若MFlag＝true，則調(diào)用步驟一；否則，轉(zhuǎn)R5；R5：計(jì)算的鏈路健康指數(shù)η，若η大于鏈路的健康閾值，則按照R2輸出的RQue隊(duì)列路由；否則，轉(zhuǎn)R6；R6：若路徑pn是“短板”路徑，則MFlag＝true，sink節(jié)點(diǎn)朝著“短 板”路徑移動(dòng)，并且pn從TQue中解禁；R7：若路徑pn不是“短板”路徑，則MFlag＝false；按照R2輸出的RQue路由。步驟三中所述的目標(biāo)函數(shù)構(gòu)成由公式(5)、(6)定義：minf2(pn)=Σ|(pm\{S,DS}∩pn\{S,DS})|Σ|(pm\{S,DS}∪pn\{S,DS})|---(6)]]>且滿足：Ealli(b)*Σti+Eupi(b)*yi≤E0]]>其中，和分別表示單位時(shí)間路徑pn上的節(jié)點(diǎn)i傳輸k比特?cái)?shù)據(jù)的能耗和更新能耗，yi隨著MFlag值變化，若MFlag＝true，則yi＝1，否則，yi＝0。該方法將多個(gè)目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化成單目標(biāo)優(yōu)化問題，即max(F(pn)=f1(pn)f2(pn)+1)---(7)]]>公式(7)表示從滿足條件路徑集中求出一條路徑pn，使得單目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)值最大。由于fa(pn)可能為0，即為不相交路徑，故公式(7)中分母作加1處理。所述的“短板”路徑是對(duì)鏈路的健康指數(shù)的定義：η=min(Eremi)i∈pnΣi=1i=pnEremi---(8)]]>有益效果：本發(fā)明對(duì)無線傳感網(wǎng)中移動(dòng)sink的多徑地理路由算法進(jìn)行了研究，并提出了一種無線傳感網(wǎng)中按需移動(dòng)sink節(jié)點(diǎn)的多徑地理路由優(yōu)化方法。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需求，該方法利用多重參數(shù)約 束sink節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，從而減少sink節(jié)點(diǎn)移動(dòng)所帶來的更新量，并提出改進(jìn)的禁忌搜索算法實(shí)現(xiàn)對(duì)多路徑并行化的搜索，提高了路由效率，大大降低了網(wǎng)絡(luò)能耗，為避免無效路由，利用“短板”原理檢測鏈路的健康指數(shù)，當(dāng)其低于計(jì)算閾值時(shí)，若此鏈路為關(guān)鍵路徑，則sink節(jié)點(diǎn)朝著“短板”路徑移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了sink節(jié)點(diǎn)的按需移動(dòng)。理論和大量實(shí)驗(yàn)證明，該方法有效降低了網(wǎng)絡(luò)能耗，提高了網(wǎng)絡(luò)性能，其網(wǎng)絡(luò)生命周期比靜態(tài)無線傳感網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)生命周期延長了近4倍。附圖說明圖1無線傳感網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為鄰居表建立算法流程圖；圖3為路徑表建立算法流程圖；圖4為改進(jìn)的禁忌搜索路由算法流程圖；圖5為各種路由算法的平均剩余能量的比較示意圖；圖6為各種路由算法的網(wǎng)絡(luò)生命周期的比較示意圖；具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明?；舅枷耄罕景l(fā)明提供一種無線傳感網(wǎng)中按需移動(dòng)sink節(jié)點(diǎn)的多徑地理路由優(yōu)化方法，該方法采用層次化邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分別是鄰居表建立、路徑表建立和路由表建立三個(gè)階段。為避免因sink節(jié)點(diǎn)的頻繁移動(dòng)導(dǎo)致鄰居表的頻繁更新，采用剩余能量、時(shí)間和目標(biāo)函數(shù) 等多重參數(shù)約束sink節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)選擇性的進(jìn)行鄰居表的更新。鄰居表和路徑表采用分離式建立過程，以減少sink移動(dòng)所帶來的更新量，在搜索路由階段，采用改進(jìn)的禁忌搜索算法并行搜索全局最優(yōu)路徑集，在最優(yōu)路徑集中進(jìn)行路由，為避免無效路由，利用“短板效應(yīng)”衡量路徑鏈路的健康指數(shù)，當(dāng)其低于計(jì)算閾值時(shí)，sink節(jié)點(diǎn)朝著“短板”節(jié)點(diǎn)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了sink節(jié)點(diǎn)的按需移動(dòng)，有效的均衡了網(wǎng)絡(luò)能耗，延長了網(wǎng)絡(luò)生命周期。定義：外鄰域若幾何A、B是封閉的區(qū)域，則外鄰域Ω記為：Ω＝A\(A∩B)＝A-B(9)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下：節(jié)點(diǎn)(包括sink節(jié)點(diǎn))的固定字段：SIDDIDSeqNumSPOS/DPOS可變字段：NQueHopCNexHopPreHoptEremDataEupdsink節(jié)點(diǎn)參數(shù)字段：SID和DID分別表示源節(jié)點(diǎn)和sink節(jié)點(diǎn)的ID，SeqNum表示序列編號(hào)，SPOS和DPOS用二元組(Sx(t)，Sy(t))分別表示源節(jié)點(diǎn)和sink節(jié)點(diǎn)直角坐標(biāo)系中水平和垂直方向上的位置；HopC用于表示跳數(shù)；t用于對(duì)數(shù)據(jù)包傳輸計(jì)時(shí)，并和更新周期T比較。在sink節(jié)點(diǎn)的字段中， MFlag是布爾變量，表示sink節(jié)點(diǎn)是否移動(dòng)；F(pn)是復(fù)合函數(shù)，用于最優(yōu)路徑選擇的衡量條件。NQue、PQue、RQue和TQue均為以記錄形式存儲(chǔ)的隊(duì)列，分別表示鄰居表、路徑表、路由表和禁忌表，TQue存放能量低于能量閾值節(jié)點(diǎn)，這種節(jié)點(diǎn)永遠(yuǎn)不再被訪問，并存放本次迭代中最優(yōu)的路徑，當(dāng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)后，將TQue表中的最優(yōu)路徑解禁，表示可以再被訪問；為減少消息報(bào)文長度，REQ報(bào)文表示一條記錄，包含節(jié)點(diǎn)固定字段的信息和HopC參數(shù)。MES報(bào)文包含節(jié)點(diǎn)的固定字段、MFlag和NQue參數(shù)。ACK報(bào)文包含SID，Erem，HopC，t和在Ω區(qū)域中的鄰居節(jié)點(diǎn)NQue。ReACK報(bào)文包含SID，Erem，t和所有的NQue。本發(fā)明采用OPNET仿真平臺(tái)，仿真環(huán)境參數(shù)配置如表1所示：節(jié)點(diǎn)總數(shù)為500，網(wǎng)絡(luò)大小為100平方米的區(qū)域內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆S機(jī)配置，報(bào)告間隔為0.2s，數(shù)據(jù)傳輸率為1Mbps，節(jié)點(diǎn)通信半徑為50m，節(jié)點(diǎn)初始能量為36J，節(jié)點(diǎn)成功傳輸k比特?cái)?shù)據(jù)的總能耗為50nJ/bit，更新周期為0.8s，感知數(shù)據(jù)大小默認(rèn)1KB，消息報(bào)文大小默認(rèn)128B。表1仿真環(huán)境參數(shù)配置圖2給出鄰居表建立算法的流程圖，當(dāng)MFlag＝true時(shí)，即sink節(jié)點(diǎn)移動(dòng)，則sink節(jié)點(diǎn)廣播當(dāng)前位置信息給先前位置的鄰居節(jié)點(diǎn)和當(dāng)前位置的鄰居節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)進(jìn)行更新鄰居表，實(shí)現(xiàn)了選擇性的更新，減少了更新量，節(jié)約了節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)的能耗。圖3給出路徑表建立算法流程圖，該算法在鄰居表建立的基礎(chǔ)上，采用ACK和ReACK消息來確定將路徑是否加入路徑表或者禁忌表。圖4給出改進(jìn)的禁忌搜索路由算法流程圖，該算法改進(jìn)之處在于禁忌表不僅存放能量低于閾值的節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)將永遠(yuǎn)不再被訪問，而且存放最優(yōu)路徑，當(dāng)MFlag＝true時(shí)，最優(yōu)路徑便可以解禁，可以再次被訪問，有效避免了最優(yōu)解的丟失。平均剩余能量與鏈路健康指數(shù)的關(guān)系如圖5所示，DGR的平均剩余能量均低于SPAT和DMRA，這是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小的情況下，DGR在建立多條不相交路徑，能量消耗較大。而本文提出的優(yōu)化方法(DMRA)的剩余能量平均走勢均比較高，原因是sink的移動(dòng)受距離、剩余能量和時(shí)間等參數(shù)的約束，所以選擇性的更新鄰居表和路 徑表使得能耗最大化的得到節(jié)約。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，DGR剩余能量大幅度的降低。SPAT的剩余能量也有明顯的降低，但比DGR剩余能量高，說明移動(dòng)sink的路由在一定程度上均衡了能耗。而本發(fā)明提出的DMRA的剩余能量均比其他策略的高，說明隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大，按需移動(dòng)sink的多路徑地理路由策略有效的降低了瓶頸節(jié)點(diǎn)能耗，同時(shí)最優(yōu)多路徑的并行數(shù)據(jù)傳輸對(duì)大數(shù)據(jù)量的傳感器網(wǎng)絡(luò)起到了節(jié)能、高效的作用。各種路由算法的網(wǎng)絡(luò)生命周期的比較如圖6所示：DGR生命周期始終低于DMRA和SPAT策略，因?yàn)镈GR沒有建立移動(dòng)機(jī)制，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大，sink的鄰居節(jié)點(diǎn)的中繼任務(wù)也越來越重，能量消耗加快，因此生命周期逐漸降低。而DMRA的生命周期比SPAT和DGR的均高，原因是sink節(jié)點(diǎn)的按需移動(dòng)有效的均衡了瓶頸節(jié)點(diǎn)的能耗。并且并行的從最優(yōu)路徑集中路由數(shù)據(jù)，最大化的延長了網(wǎng)絡(luò)生命周期?？傮w上，該策略的平均生命周期是靜態(tài)的DGR策略的生命周期的3.96倍、SPAT的2.13倍。上述描述僅作為本發(fā)明可實(shí)施的技術(shù)方案提出，不作為對(duì)其技術(shù)方案本身的單一限制條件。當(dāng)前第1頁1 2 3