本發(fā)明從無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連通度、信道質(zhì)量等多方面考慮，運(yùn)用拓?fù)鋵W(xué)分支—圖論的著色貪婪算法計(jì)算路徑加權(quán)值，在分析網(wǎng)絡(luò)冗余度基礎(chǔ)上，尋找傳感器網(wǎng)絡(luò)的最大可行傳輸路徑，屬于無(wú)線通信技術(shù)中的路由傳輸技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用前景廣闊，近年來(lái)已成為各界重視的研究熱點(diǎn)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在各類監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量傳感器節(jié)點(diǎn)相互通信形成的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，是物聯(lián)網(wǎng)底層架構(gòu)的重要技術(shù)形式。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究主要經(jīng)歷了兩個(gè)階段:第1階段主要偏重設(shè)計(jì)小型化的節(jié)點(diǎn)設(shè)備；第2階段(現(xiàn)階段)重點(diǎn)關(guān)注網(wǎng)絡(luò)本身問(wèn)題的研究。由于傳感器節(jié)點(diǎn)通常在惡劣的環(huán)境中運(yùn)行，人跡少至導(dǎo)致能源無(wú)法及時(shí)更換，因此能量效率是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要議題。

國(guó)內(nèi)外無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)計(jì)的研究成果主要集中在如下幾方面：首先，從能量效率角度設(shè)計(jì)不同的能量使用和最優(yōu)路由方案，降低節(jié)點(diǎn)能耗；其次，從網(wǎng)絡(luò)組織架構(gòu)角度，應(yīng)用不同的分布式或分簇式等來(lái)靈活安排路由架構(gòu)，提升網(wǎng)絡(luò)效率；此外，從降低網(wǎng)絡(luò)干擾、提升頻譜效率或系統(tǒng)容量角度，設(shè)計(jì)各種最優(yōu)路由。即根據(jù)不同的環(huán)境和系統(tǒng)要求，從可靠性、安全性、有效性等不同角度出發(fā)，選擇不同的路由策略，可設(shè)計(jì)出多種不同的路由算法和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服已有無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由選擇方法的能量消耗整體均衡性較差、網(wǎng)絡(luò)的生命周期較短的不足，本發(fā)明提供了一種能量消耗整體均衡、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期的基于節(jié)點(diǎn)冗余度和圖著色算法的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由選擇方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

一種基于節(jié)點(diǎn)冗余度和圖著色算法的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由選擇方法，所述選擇方法包括以下步驟：

第一步、首先，尋找網(wǎng)絡(luò)中的冗余節(jié)點(diǎn)，定義被周圍節(jié)點(diǎn)覆蓋率達(dá)90％及以上的，即為冗余節(jié)點(diǎn)；利用蒙特卡洛的思想，在m×n面積的區(qū)域隨機(jī)取m×n次點(diǎn)，落在所要計(jì)算區(qū)域的點(diǎn)的個(gè)數(shù)即為所要求區(qū)域的面積；

第二步、建立效用函數(shù)，作為圖論搜尋最大可行集的依據(jù)，傳感器節(jié)點(diǎn)的集合為n，ri為第i條鏈路的單位帶寬傳輸速率，di為該鏈路的傳輸距離，ei為目的節(jié)點(diǎn)剩余能量，則效用函數(shù)如下

其中α,β,γ為選取的權(quán)重系數(shù)，通過(guò)效用函數(shù)的建立力爭(zhēng)尋找剩余能量多、鏈路通信質(zhì)量好且傳輸距離近的節(jié)點(diǎn)作為下一跳的節(jié)點(diǎn)；

第三步、利用圖論貪婪算法尋找最大可行集來(lái)確定路由，過(guò)程如下：

3.1、將所有點(diǎn)的集合定義為g；

3.2、在g中找出權(quán)值u(i)最大的一點(diǎn)，記為s；

3.3、將s并入集合mwis；

3.4、將s的鄰居節(jié)點(diǎn)從g中刪除；

3.5、重復(fù)步驟(3.2)、(3.3)、(3.4)，直到g為空集；

3.6、mwis即為最大可行集。

本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為：針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法研究現(xiàn)狀，本發(fā)明考慮結(jié)合能量效率和網(wǎng)絡(luò)干擾因素，提出基于網(wǎng)絡(luò)冗余度和圖著色算法的路由選擇方法。該算法選擇能量消耗最小的路徑進(jìn)行傳輸，并且有效利用網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量，盡量讓能量消耗整體均衡，以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。由于傳感器節(jié)點(diǎn)通常是數(shù)量多且隨機(jī)分布，容易產(chǎn)生很多冗余節(jié)點(diǎn)。在常規(guī)路由選擇策略中,冗余節(jié)點(diǎn)不經(jīng)常被使用,導(dǎo)致其剩余能量較高，造成能量浪費(fèi)。同時(shí)，冗余節(jié)點(diǎn)的能量提早消耗殆盡而陷入休眠對(duì)整體網(wǎng)絡(luò)的影響并不大。因此，本發(fā)明將首先尋找網(wǎng)絡(luò)冗余節(jié)點(diǎn),優(yōu)先對(duì)它們加以利用。此外，對(duì)于非冗余節(jié)點(diǎn)，則需要兼顧能量消耗的量和消耗的均衡性，當(dāng)冗余節(jié)點(diǎn)大量死亡時(shí)，系統(tǒng)采用基于圖著色方法進(jìn)行節(jié)點(diǎn)選擇，來(lái)保持網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)作。本發(fā)明將圖論中的著色貪婪算法引入到路由策略選擇中,利用其局部最優(yōu)化思想和數(shù)學(xué)標(biāo)號(hào)法,選擇合適的路由策略。算法整體分兩步走，即首先尋找冗余節(jié)點(diǎn)完成傳輸，此后按照?qǐng)D著色方法進(jìn)一步確定節(jié)點(diǎn)路由。

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：兼顧網(wǎng)絡(luò)能量均衡性和路由有效性，能量消耗整體均衡，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

附圖說(shuō)明

圖1是節(jié)點(diǎn)檢測(cè)范圍覆蓋圖。

圖2是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布圖。

圖3是最大路由可行集的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

參照?qǐng)D1～圖3，一種基于節(jié)點(diǎn)冗余度和圖著色算法的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由選擇方法，優(yōu)先考慮冗余節(jié)點(diǎn)在最大可行集中找最優(yōu)路徑，在搜索最優(yōu)路由過(guò)程中，包括以下步驟：

第一步、首先，尋找網(wǎng)絡(luò)中的冗余節(jié)點(diǎn)，定義被周圍節(jié)點(diǎn)覆蓋率達(dá)90％及以上的，即為冗余節(jié)點(diǎn)；利用蒙特卡洛的思想，在m×n面積的區(qū)域隨機(jī)取m×n次點(diǎn)，落在所要計(jì)算區(qū)域的點(diǎn)的個(gè)數(shù)即為所要求區(qū)域的面積。如圖1所示，若要計(jì)算a被鄰居節(jié)點(diǎn)b、c覆蓋的面積，則計(jì)算落在a、b相交區(qū)域的點(diǎn)的個(gè)數(shù)，記為sab，同理a、c相交面積記為sac，b、c相交面積記為sbc，a、b、c相交面積記為sabc。則a被b、c覆蓋的面積s′aa＝sab+sac-sabc。則a被周圍節(jié)點(diǎn)覆蓋率pa＝s′a/sa。

第二步、建立效用函數(shù)，作為圖論搜尋最大可行集的依據(jù)。傳感器節(jié)點(diǎn)的集合為n，ri為第i條鏈路的單位帶寬傳輸速率，di為該鏈路的傳輸距離，ei為目的節(jié)點(diǎn)剩余能量，則效用函數(shù)如下

其中α,β,γ為選取的權(quán)重系數(shù)。通過(guò)效用函數(shù)的建立力爭(zhēng)尋找剩余能量多、鏈路通信質(zhì)量好且傳輸距離近的節(jié)點(diǎn)作為下一跳的節(jié)點(diǎn)；

第三步、利用圖論貪婪算法尋找最大可行集來(lái)確定路由，過(guò)程如下：

3.1、將所有點(diǎn)的集合定義為g。

3.2、在g中找出權(quán)值u(i)最大的一點(diǎn)，記為s。

3.3、將s并入集合mwis。

3.4、將s的鄰居節(jié)點(diǎn)從g中刪除。

3.5、重復(fù)步驟(3.2)、(3.3)、(3.4)，直到g為空集。

3.6、mwis即為最大可行集。

本實(shí)施例通過(guò)仿真測(cè)試對(duì)所提方案進(jìn)行驗(yàn)證。如圖2所示為在100×100范圍內(nèi)隨機(jī)分布的100個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，其中經(jīng)過(guò)冗余算法檢測(cè)，紅色實(shí)心節(jié)點(diǎn)為冗余節(jié)點(diǎn)。圖3所示為隨機(jī)選取初始節(jié)點(diǎn)后，搜尋到的最大可行集作為鏈路。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
一種基于節(jié)點(diǎn)冗余度和圖著色算法的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由選擇方法，包括以下步驟：第一步、首先，尋找網(wǎng)絡(luò)中的冗余節(jié)點(diǎn)，定義被周圍節(jié)點(diǎn)覆蓋率達(dá)90％及以上的，即為冗余節(jié)點(diǎn)；利用蒙特卡洛的思想，在m×n面積的區(qū)域隨機(jī)取m×n次點(diǎn)，落在所要計(jì)算區(qū)域的點(diǎn)的個(gè)數(shù)即為所要求區(qū)域的面積；第二步、建立效用函數(shù)，作為圖論搜尋最大可行集的依據(jù)，通過(guò)效用函數(shù)的建立力爭(zhēng)尋找剩余能量多、鏈路通信質(zhì)量好且傳輸距離近的節(jié)點(diǎn)作為下一跳的節(jié)點(diǎn)；第三步、利用圖論貪婪算法尋找最大可行集來(lái)確定路由。本發(fā)明兼顧網(wǎng)絡(luò)能量均衡性和路由有效性，能量消耗整體均衡、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

技術(shù)研發(fā)人員：王麗;李楓;應(yīng)頌翔;盧為黨;沈迪
受保護(hù)的技術(shù)使用者：浙江工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.04.20
技術(shù)公布日：2017.09.15