本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路由設(shè)計領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各項技術(shù)中，路由的設(shè)計是核心問題之一，其作用是尋找一條或多條滿足一定條件的、從源節(jié)點到目的節(jié)點的路徑，然后將數(shù)據(jù)分組沿著所尋找的路徑進(jìn)行傳送。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能量和硬件資源有限是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)區(qū)別于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)最主要特點，所以，路由設(shè)計的主要目標(biāo)是在保證服務(wù)質(zhì)量和安全性能的前提下，盡可能地降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的能量消耗，提高能量消耗的均衡性能。目前的路由機(jī)制多采用層次路由設(shè)計方案，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點呈現(xiàn)出簇、鏈、樹相結(jié)合的混合路由結(jié)構(gòu)，不同層次的節(jié)點在完成數(shù)據(jù)采集和處理的基礎(chǔ)上，還在網(wǎng)絡(luò)中承擔(dān)不同的功能，以提高網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率。一個良好的路由協(xié)議在降低網(wǎng)絡(luò)的通信能耗、延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期上具有不可替代的作用。

WSN路由協(xié)議的研究成果有許多，但還存在一些問題。路由的設(shè)計必須符合和滿足WSN的特點，如由于能量資源、計算能力、存儲空間等限制，路由的設(shè)計不能采用過于復(fù)雜的算法。另外，由于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)變化和通信負(fù)載較低等特點，路由算法的設(shè)計還存在較大的發(fā)展空間。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于半徑遞增有向成簇的WSN路由設(shè)計方法。首先各傳感器節(jié)點以較小半徑值R₀為競選半徑根據(jù)權(quán)值大小進(jìn)行自由組簇，確定自身屬于簇頭還是簇成員節(jié)點，而后未接入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點擴(kuò)大競選半徑至2R₀進(jìn)行組簇，根據(jù)權(quán)值公式選擇一個父節(jié)點，如果仍存在節(jié)點未接入網(wǎng)絡(luò)，則該節(jié)點繼續(xù)擴(kuò)大組網(wǎng)半徑到3R₀或4R₀，直于所有的節(jié)點均接入網(wǎng)絡(luò)。其中，在半徑R₀內(nèi)，允許節(jié)點向相對于基站的反方向進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而在半徑R₀以上，則不允許節(jié)點向基站的反方向傳輸數(shù)據(jù)，以免造成能量浪費。同時，本發(fā)明明確了權(quán)值計算的具體公式和基準(zhǔn)半徑參考值。本發(fā)明降低了路由算法的復(fù)雜度，簡化路由路徑生成的步驟，提高了網(wǎng)絡(luò)能量的利用效率和均衡性能，具有一定的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

附圖、表說明

圖1是本發(fā)明的前向傳輸原理示意圖。

圖2是本發(fā)明的鏈中組簇原理示意圖。

圖3是本發(fā)明的宏觀組網(wǎng)流程圖。

圖4是本發(fā)明的基準(zhǔn)半徑R₀內(nèi)組簇流程圖。

圖5是本發(fā)明的網(wǎng)絡(luò)最終路由結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、特征、優(yōu)點更加明顯易懂，下面結(jié)合基礎(chǔ)基論、公式附圖，按照基本原理、宏觀流程、具體步驟的順序?qū)Ρ景l(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

(1)基本原理

①前向傳輸。如圖1所示，節(jié)點i在選擇向基站傳輸數(shù)據(jù)的下一跳節(jié)點(中繼節(jié)點)時，只能把數(shù)據(jù)傳輸給在其通信范圍內(nèi)距離基站更近的鄰節(jié)點中的一個，其可能的位置為：以基站為中心、基站到節(jié)點i的距離為半徑的圓和以節(jié)點i為中心、以節(jié)點i通信距離參數(shù)d_R為半徑的圓的重合區(qū)域，這排除了節(jié)點向后傳輸數(shù)據(jù)的可能。

②鏈中組簇。如圖2所示，(c)和(d)為鏈中組簇結(jié)構(gòu)，相對于(a)和(b)所示的鏈結(jié)構(gòu)和簇結(jié)構(gòu)有以下幾個優(yōu)勢：①減少了網(wǎng)絡(luò)的層次，降低了延時；②能夠?qū)?jié)點的能量進(jìn)行篩選，將低能量節(jié)點以分支形式接入網(wǎng)絡(luò)；③采用小簇形式，降低組簇的能量消耗和簇內(nèi)的維護(hù)成本。

(2)宏觀流程

①圖3為本發(fā)明的宏觀組網(wǎng)流程圖。在網(wǎng)絡(luò)初始化后，各節(jié)點首先以較小半徑值R₀為進(jìn)行自由組簇，然后檢測是否還存在節(jié)點沒有進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，若存在，則以2R₀為半徑進(jìn)行組簇，若仍有節(jié)點未進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，則繼續(xù)擴(kuò)大組網(wǎng)半徑，直至所有節(jié)點均進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。

②圖4為節(jié)點以R₀為半徑進(jìn)行組簇流程圖。采用投票方式選擇簇頭，各節(jié)點根據(jù)下列公式計算半徑R₀范圍內(nèi)節(jié)點權(quán)值，將票投給權(quán)值最大的節(jié)點，推薦其為備選簇頭，而后各備選簇頭檢查自身周圍是否存在其他備選簇頭，若無其他備選簇頭，則宣布自身成為簇頭，若有，則根據(jù)票數(shù)與權(quán)值確定最終的簇頭。

式中，E(i)為節(jié)點剩余能量，為全網(wǎng)節(jié)點平均剩余能量估計值，D_degree1(i)為節(jié)點的節(jié)點度，w為調(diào)節(jié)系數(shù)。

③在組簇半徑大于2R₀時，則要求節(jié)點只能向距離基站更近的節(jié)點傳送數(shù)據(jù)，以減少能量的損耗，各節(jié)點在選擇下一跳節(jié)點時采用下列權(quán)值公式：

其中，E(j)為節(jié)點的能量，為全網(wǎng)節(jié)點平均剩余能量估計值，w為調(diào)節(jié)系數(shù)，d_toBS(i)和d_toBS(j)分別為節(jié)點i和節(jié)點j到基站的距離，d(i，j)為節(jié)點i和節(jié)點j之間的距離，D_back(j)為節(jié)點j的反向節(jié)點度(即由其節(jié)點度減去其可能的下一跳節(jié)點個數(shù))。

(3)具體步驟

①初始化。初始化時，節(jié)點須根據(jù)接收基站信號的強(qiáng)度估計自身與基站的近似距離，確定節(jié)點度，并更新路由表、緩存表等信息。

②基準(zhǔn)半徑R₀內(nèi)組簇。在基準(zhǔn)半徑R₀內(nèi)根據(jù)公式(1)計算權(quán)值選舉簇頭，由簇頭召集簇內(nèi)成員。在這個半徑范圍內(nèi)，允許節(jié)點向距離基站更遠(yuǎn)的節(jié)點傳送數(shù)據(jù)。

③半徑2R₀內(nèi)組網(wǎng)。對于未接入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，擴(kuò)大組網(wǎng)半徑至2R₀，按照公式(2)計算權(quán)值，選擇下一跳節(jié)點。在這個半徑范圍內(nèi)，不允許節(jié)點向距離基站更遠(yuǎn)的節(jié)點傳送數(shù)據(jù)。

④半徑3R₀內(nèi)組網(wǎng)。對于仍未接入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，擴(kuò)大組網(wǎng)半徑至3R₀，按照公式(2)計算權(quán)值，選擇下一跳節(jié)點。在這個半徑范圍內(nèi)，不允許節(jié)點向距離基站更遠(yuǎn)的節(jié)點傳送數(shù)據(jù)。

⑤最終路由結(jié)構(gòu)。當(dāng)所示節(jié)點均接入網(wǎng)絡(luò)后，得到最終路由路徑。圖5為最終路由路徑示意圖。

需要指出的是，具體步驟數(shù)目是不固定的，完成組網(wǎng)的判斷標(biāo)志為全部節(jié)點均接入網(wǎng)絡(luò)，若存在節(jié)點未接入網(wǎng)絡(luò)剛增加一個基準(zhǔn)半徑單位，繼續(xù)組簇，直至生成一個完整的路由路徑。