一種基于節(jié)點能耗和剩余能量的無線傳感網(wǎng)絡(luò)路徑規(guī)劃方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于節(jié)點能耗和剩余能量的無線傳感網(wǎng)絡(luò)路徑規(guī)劃方法，針對待規(guī)劃節(jié)點和該可選節(jié)點，本發(fā)明先計算可選節(jié)點的傳輸能耗、剩余能量、總傳輸能耗和總剩余能量；然后計算可選節(jié)點的傳輸能耗與該可選節(jié)點的剩余能量的比值以及總傳輸能耗與總剩余能量的比值，將這兩個比值加權(quán)求和得到評價參數(shù)；最后對所有可選節(jié)點按評價參數(shù)排序，選擇評價參數(shù)最小的可選節(jié)點作為待規(guī)劃節(jié)點的上行節(jié)點。本發(fā)明對能耗過快的節(jié)點起到了保護(hù)，節(jié)省總體能耗，使節(jié)點能耗相對均衡，延長了網(wǎng)絡(luò)生命周期，優(yōu)化利用網(wǎng)絡(luò)資源。同時，本發(fā)明計算簡單，路徑規(guī)劃速度快，資源消耗少。
【專利說明】
一種基于節(jié)點能耗和剩余能量的無線傳感網(wǎng)絡(luò)路徑規(guī)劃方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及無線傳感網(wǎng)絡(luò)，特別涉及一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，為延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期，綜合考慮單個節(jié)點的剩余能量和傳輸能耗，以及總剩余能量和總傳輸能耗優(yōu)化選擇中繼節(jié)點的傳輸路徑規(guī)劃方法。屬于無線傳感網(wǎng)絡(luò)路徑規(guī)劃技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景非常廣闊，能夠廣泛應(yīng)用于軍事，環(huán)境監(jiān)測與預(yù)報，健康護(hù)理，智能家居，建筑物狀態(tài)與監(jiān)控，復(fù)雜機(jī)械監(jiān)控，城市交通，空間探索，以及機(jī)場，大型工業(yè)園區(qū)的安全監(jiān)控等領(lǐng)域。隨著傳感器的深入研究與廣泛應(yīng)用，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將會應(yīng)用到人類生活的各個領(lǐng)域。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂剖菬o線傳感網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)之一，傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂颇壳爸饕芯康膯栴}是在滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋度和連通度的前提下，通過功率控制和骨干網(wǎng)節(jié)點的選擇，剔除節(jié)點之間不必要的無線通信鏈路，生成一個高效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。拓?fù)淇刂瓶梢苑譃楣?jié)點功率控制和層次型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形成兩個方面。層次型的拓?fù)淇刂评梅执貦C(jī)制，讓一些節(jié)點作為簇頭節(jié)點，由簇頭節(jié)點完成數(shù)據(jù)處理并轉(zhuǎn)發(fā)，形成骨干網(wǎng)，其他非骨干網(wǎng)節(jié)點可以暫時關(guān)閉通信模塊，進(jìn)入休眠狀態(tài)以節(jié)省能量。
[0003]無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，由于應(yīng)用場景限制，節(jié)點多由電池供電，能量無法補(bǔ)充；同時，由于分布范圍廣，信息由傳感器傳到匯集節(jié)點一般通過多跳方式實現(xiàn)。通過選擇合適的路徑，可以使得網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點的能耗相對均衡，避免部分節(jié)點能耗快速耗盡的情況出現(xiàn)，提高網(wǎng)絡(luò)的實用性。
[0004]在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，一個網(wǎng)絡(luò)好壞的評價機(jī)制包括網(wǎng)絡(luò)節(jié)負(fù)荷的均衡性、傳輸能耗、多跳傳輸?shù)钠骄鴶?shù)、網(wǎng)絡(luò)的生命周期等。目前提出的層次型拓?fù)淇刂朴蠺opDisc成簇算法，改進(jìn)的GAF虛擬地理網(wǎng)格分簇算法，以及LEACH和HEED等自組織成簇算法，這些算法均有各自的優(yōu)缺點。TopDisc成簇算法繼承圖論中的經(jīng)典算法，可以在節(jié)點密集的傳感器網(wǎng)絡(luò)中快速形成分簇結(jié)構(gòu)，但是這種算法靈活性不強(qiáng)，重復(fù)執(zhí)行算法的開銷過大，且沒有考慮節(jié)點剩余能量的問題。改進(jìn)的GAF虛擬地理網(wǎng)格分簇算法需要節(jié)點的精確位置信息。LEACH算法的簇頭是隨機(jī)產(chǎn)生的，不僅沒有考慮剩余能量，也無法保證簇頭節(jié)點均勻分布，造成某些區(qū)域簇頭節(jié)點密度過大。所以，無線傳感器分簇的關(guān)鍵問題是如何制定算法策略，不僅考慮到節(jié)點負(fù)載均勻，傳輸能耗較少以延長網(wǎng)絡(luò)生命周期，而且更加要提高運(yùn)行速度，滿足實時性要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有無線傳感網(wǎng)絡(luò)在路徑規(guī)劃中存在拓?fù)淇刂旗`活性不強(qiáng)，能量消耗不均勻，能量利用效率低，可擴(kuò)展性差或規(guī)劃速度慢等不足，本發(fā)明提出了一種新的無線傳感網(wǎng)絡(luò)路徑規(guī)劃方法，本方法通過綜合考慮節(jié)點的傳輸能耗、剩余能量以及總能耗和總剩余能量，設(shè)計評價因素來為待規(guī)劃節(jié)點優(yōu)化選擇上行節(jié)點，快速得到傳輸路徑，并使節(jié)點能耗相對均衡，有效延長網(wǎng)絡(luò)生命周期，解決了一般路徑規(guī)劃算法計算復(fù)雜度高，需要進(jìn)行多次修改，處理速度慢等問題。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的:
一種基于節(jié)點能耗和剩余能量的無線傳感網(wǎng)絡(luò)路徑規(guī)劃方法，所述無線傳感網(wǎng)絡(luò)包含若干個路由節(jié)點和一個匯集節(jié)點；每個路由節(jié)點連接一個傳感器，可以將自身傳感器信息或來自于其他路由節(jié)點需要轉(zhuǎn)發(fā)的信息上傳到上行節(jié)點，并最終傳輸?shù)絽R集節(jié)點，由匯集節(jié)點傳輸給控制主機(jī);匯集節(jié)點不考慮能量消耗，路由節(jié)點攜帶的能量固定且不能補(bǔ)充，但傳輸能量可控，能根據(jù)傳輸距離調(diào)整發(fā)送功率;路徑規(guī)劃步驟如下，
(1)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)初始化
a.根據(jù)路由節(jié)點和匯集節(jié)點的空間位置，計算匯集節(jié)點到各路由節(jié)點的距離并由小到大排序；
b.計算每個路由節(jié)點到其它所有路由節(jié)點距離并由小到大排序；
c.設(shè)定路由節(jié)點的最遠(yuǎn)傳輸距離，所有路由節(jié)點的最遠(yuǎn)傳輸距離相同；假設(shè)任一路由節(jié)點周圍至少有一個路由節(jié)點，它們兩者的距離在最遠(yuǎn)傳輸距離內(nèi)，即所有路由節(jié)點都不會成為孤立節(jié)點；
(2)將到匯集節(jié)點距離最小的未規(guī)劃的路由節(jié)點作為待規(guī)劃節(jié)點并為其規(guī)劃上行節(jié)點，可以作為待規(guī)劃節(jié)點的上行節(jié)點可能有多個，這些上行節(jié)點稱為可選節(jié)點；
(3)若待規(guī)劃節(jié)點到匯集節(jié)點的距離沒有超過設(shè)定的最遠(yuǎn)傳輸距離，則將匯集節(jié)點指定為待規(guī)劃節(jié)點的上行節(jié)點，實現(xiàn)一步傳輸，該待規(guī)劃節(jié)點的路徑規(guī)劃完畢，為其作已規(guī)劃標(biāo)志，轉(zhuǎn)步驟(9)判斷并選擇下一個待規(guī)劃節(jié)點；否則轉(zhuǎn)步驟(4)為其規(guī)劃上行節(jié)點；
(4)在未考察作為待規(guī)劃節(jié)點可選節(jié)點的其它路由節(jié)點中，選擇到待規(guī)劃節(jié)點距離最小的路由節(jié)點作為可選節(jié)點，若距離超過最遠(yuǎn)傳輸距離限制，則可選節(jié)點考察完畢，轉(zhuǎn)步驟(8)，否則轉(zhuǎn)步驟(5);
(5)如果步驟(4)選出的該可選節(jié)點未置路徑已規(guī)劃標(biāo)志，說明該可選節(jié)點本身未規(guī)劃路徑，不能作為待規(guī)劃節(jié)點的上行節(jié)點，轉(zhuǎn)步驟(7)，判斷是否還有可選的路由節(jié)點；否則轉(zhuǎn)步驟(6)計算該可選節(jié)點作為待規(guī)劃節(jié)點上行節(jié)點的評價參數(shù)；
(6)針對待規(guī)劃節(jié)點和該可選節(jié)點，計算該可選節(jié)點的傳輸能耗、該可選節(jié)點的剩余能量、總傳輸能耗和總剩余能量;然后計算該可選節(jié)點的傳輸能耗與該可選節(jié)點的剩余能量的比值以及總傳輸能耗與總剩余能量的比值，將這兩個比值加權(quán)求和得到評價參數(shù)；
可選節(jié)點的傳輸能耗是指可選節(jié)點將信息傳遞到它的上行節(jié)點所消耗的能量;該可選節(jié)點初始能量減去以前傳輸過程消耗的能量即為該可選節(jié)點的剩余能量;總傳輸能耗為將傳感器信息從待規(guī)劃節(jié)點通過該可選節(jié)點一直傳輸?shù)絽R集節(jié)點時各節(jié)點所消耗的能量之和;總剩余能量是待規(guī)劃節(jié)點通過該可選節(jié)點一直傳輸?shù)絽R集節(jié)點的鏈路上不含匯集節(jié)點外的其他所有節(jié)點的剩余能量之和；
(7)判斷可以作為可選的路由節(jié)點是否選擇完畢，若還存在則轉(zhuǎn)到步驟(4)選擇下一個可選節(jié)點，否則轉(zhuǎn)步驟(8);
(8 )對所有計算了評價參數(shù)的可選節(jié)點按評價參數(shù)排序，選擇評價參數(shù)最小的可選節(jié)點作為待規(guī)劃節(jié)點的上行節(jié)點，并作已規(guī)劃標(biāo)志；
(9)判斷是否還存在未規(guī)劃路由節(jié)點，若有則轉(zhuǎn)步驟(2)，否則所有路由節(jié)點路徑規(guī)劃完畢，得到當(dāng)前傳輸周期的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在該傳輸周期按該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行信息傳輸即可；
在下一個傳輸周期，重復(fù)步驟(2)_(9)，以得到下一個周期的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并進(jìn)行信息傳輸；如此周而復(fù)始，得到每個傳輸周期的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，直到任一路由節(jié)點能量耗盡為止，此時視為網(wǎng)絡(luò)失效。
[0007]步驟(6)中，該可選節(jié)點的傳輸能耗與該可選節(jié)點的剩余能量的比值的權(quán)值與總傳輸能耗與總剩余能量的比值的權(quán)值均為0.5。
[0008]在每個傳輸周期，控制主機(jī)將得到的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和每個節(jié)點分配的時隙信息進(jìn)行封裝生成控制信息包，然后通過匯集節(jié)點采用廣播方式發(fā)送給每個路由節(jié)點，同時啟動該傳輸周期。
[0009]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果:
針對含一個匯集節(jié)點和若干路由節(jié)點的多跳無線傳感網(wǎng)絡(luò)，本發(fā)明綜合考慮了節(jié)點傳輸距離與能耗、節(jié)點剩余能量、總能耗與總剩余能量，將它們的比值加權(quán)求和得到評價因素，為每個節(jié)點規(guī)劃傳輸路徑，客觀上對能耗過快的節(jié)點起到了保護(hù)，又節(jié)省總體能耗，使節(jié)點能耗相對均衡，延長了網(wǎng)絡(luò)生命周期，耗費(fèi)資源少，優(yōu)化利用網(wǎng)絡(luò)資源。同時，本發(fā)明采用的方法計算簡單，路徑規(guī)劃速度快，資源消耗少，并具有靈活的擴(kuò)展能力，實用性強(qiáng)。
【附圖說明】
[0010]圖1-無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信架構(gòu)圖。
[0011]圖2-本發(fā)明實施流程圖。
[0012]圖3-待規(guī)劃路徑的節(jié)點分布(圓形代表匯集節(jié)點，星形代表路由節(jié)點)。
[0013]圖4-路徑規(guī)劃結(jié)果1(節(jié)點剩余能量相同，最遠(yuǎn)距離為200m)。
[0014]圖5-路徑規(guī)劃結(jié)果Π(節(jié)點剩余能量相同，最遠(yuǎn)距離為250m)。
[0015]圖6-路徑規(guī)劃結(jié)果ΙΠ(節(jié)點剩余能量相同，最遠(yuǎn)距離為300m)。
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0017]本發(fā)明提出的無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑規(guī)劃方法，其應(yīng)用場景的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍中有一個匯集節(jié)點和若干路由節(jié)點，每個路由節(jié)點連接傳感器用于采集監(jiān)測信息，并將本地監(jiān)測信息和需要轉(zhuǎn)發(fā)的信息傳輸?shù)缴闲泄?jié)點，匯集節(jié)點負(fù)責(zé)收集所有路由節(jié)點的傳感器信息并傳輸?shù)胶笈_PC機(jī)(控制主機(jī))?？刂浦鳈C(jī)的軟件除處理監(jiān)測信息夕卜，還負(fù)責(zé)執(zhí)行本發(fā)明的路徑規(guī)劃算法，將得到的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過匯集節(jié)點以廣播方式傳輸?shù)礁髀酚晒?jié)點并存儲，作為路由節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸依據(jù)，降低了路由節(jié)點的處理負(fù)擔(dān)。
[0018]本發(fā)明無線傳感網(wǎng)絡(luò)遵從如下假設(shè):
匯集節(jié)點不考慮能量消耗，路由節(jié)點攜帶的能量固定且不能補(bǔ)充，但傳輸能量可控，能根據(jù)傳輸距離調(diào)整發(fā)送功率；
網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行分成多個傳輸周期，一個周期內(nèi)所有節(jié)點發(fā)送一次數(shù)據(jù)包，任一路由節(jié)點能量耗盡不能傳輸數(shù)據(jù)，將視為整個網(wǎng)絡(luò)失效；
所有節(jié)點位置不可移動，連接于匯集節(jié)點的控制主機(jī)了解所有節(jié)點的位置和初始能量，并能根據(jù)初始能量和各節(jié)點在數(shù)據(jù)傳輸過程中已消耗的能量計算剩余能量； 控制主機(jī)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的剩余能量、數(shù)據(jù)包傳輸?shù)哪芰肯?、網(wǎng)絡(luò)均衡性為評價依據(jù)，在每個周期動態(tài)規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)，并為每個節(jié)點分配傳輸時隙。
[0019]在每個傳輸周期，控制主機(jī)封裝更改的路徑和時隙信息，生成控制信息包，通過匯集節(jié)點采用廣播方式發(fā)送給每個路由節(jié)點，同時啟動一個傳輸周期。
[0020]本發(fā)明的具體路徑規(guī)劃步驟如下，同時請參見圖2。
[0021](I)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)初始化
a.根據(jù)路由節(jié)點和匯集節(jié)點的空間位置，計算匯集節(jié)點到各路由節(jié)點的距離并由小到大排序；
b.計算每個路由節(jié)點到其它所有路由節(jié)點距離并由小到大排序；
c.由于設(shè)備性能和電池功率限制等原因，本發(fā)明為所有路由節(jié)點設(shè)置最遠(yuǎn)傳輸距離，所有路由節(jié)點的最遠(yuǎn)傳輸距離相同，超過此距離限制則需要規(guī)劃轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點。假設(shè)任一路由節(jié)點周圍至少有一個路由節(jié)點，它們兩者的距離在最遠(yuǎn)傳輸距離內(nèi)，即所有路由節(jié)點都不會成為孤立節(jié)點；
(2)將到匯集節(jié)點距離最小的未規(guī)劃的路由節(jié)點作為待規(guī)劃節(jié)點并為其規(guī)劃上行節(jié)點，可以作為待規(guī)劃節(jié)點的上行節(jié)點可能有多個，需要對其選優(yōu)，這也是本發(fā)明的重點，這些上行節(jié)點稱為可選節(jié)點；
(3)若待規(guī)劃節(jié)點到匯集節(jié)點的距離沒有超過設(shè)定的最遠(yuǎn)傳輸距離，則將匯集節(jié)點指定為待規(guī)劃節(jié)點的上行節(jié)點，實現(xiàn)一步傳輸，該待規(guī)劃節(jié)點的路徑規(guī)劃完畢，為其作已規(guī)劃標(biāo)志，轉(zhuǎn)步驟(9)判斷并選擇下一個待規(guī)劃節(jié)點;若待規(guī)劃節(jié)點到匯集節(jié)點的距離超過設(shè)定的最遠(yuǎn)傳輸距離，則轉(zhuǎn)步驟(4)為其規(guī)劃上行節(jié)點；
(4)在未考察作為待規(guī)劃節(jié)點可選節(jié)點的其它路由節(jié)點中，選擇到待規(guī)劃節(jié)點距離最小的路由節(jié)點作為可選節(jié)點，若該可選節(jié)點到待規(guī)劃節(jié)點距離超過最遠(yuǎn)傳輸距離限制，則可選節(jié)點考察完畢，轉(zhuǎn)步驟(8)，否則轉(zhuǎn)步驟(5);
(5)如果步驟(4)選出的該可選節(jié)點未置路徑已規(guī)劃標(biāo)志，說明該可選節(jié)點本身未規(guī)劃路徑，不能作為待規(guī)劃節(jié)點的上行節(jié)點，轉(zhuǎn)步驟(7)，判斷是否還有可選的路由節(jié)點；如果步驟(4)選出的該可選節(jié)點已置路徑已規(guī)劃標(biāo)志，則轉(zhuǎn)步驟(6)計算該可選節(jié)點作為待規(guī)劃節(jié)點上行節(jié)點的評價參數(shù)；
(6)針對待規(guī)劃節(jié)點和該可選節(jié)點，計算該可選節(jié)點的傳輸能耗、該可選節(jié)點的剩余能量、總傳輸能耗和總剩余能量;然后計算該可選節(jié)點的傳輸能耗與該可選節(jié)點的剩余能量的比值以及總傳輸能耗與總剩余能量的比值，將這兩個比值加權(quán)求和得到評價參數(shù);實際處理時，兩比值的權(quán)值均為0.5。
[0022]可選節(jié)點的傳輸能耗是指可選節(jié)點將信息傳遞到它的上行節(jié)點所消耗的能量;該可選節(jié)點初始能量減去以前傳輸過程消耗的能量即為該可選節(jié)點的剩余能量;總傳輸能耗為將傳感器信息從待規(guī)劃節(jié)點通過該可選節(jié)點(并按該可選節(jié)點規(guī)劃路徑)一直傳輸?shù)絽R集節(jié)點時各節(jié)點所消耗的能量之和;總剩余能量是待規(guī)劃節(jié)點通過該可選節(jié)點一直傳輸?shù)絽R集節(jié)點的鏈路上不含匯集節(jié)點外的其他所有節(jié)點的剩余能量之和；
(7)判斷可以作為可選的路由節(jié)點是否選擇完畢，若還存在則轉(zhuǎn)到步驟(4)選擇下一個可選節(jié)點，否則轉(zhuǎn)步驟(8);
(8 )對所有計算了評價參數(shù)的可選節(jié)點按評價參數(shù)排序，選擇評價參數(shù)最小的可選節(jié)點作為待規(guī)劃節(jié)點的上行節(jié)點，并作已規(guī)劃標(biāo)志；
(9)判斷是否還存在未規(guī)劃路由節(jié)點，若有則轉(zhuǎn)步驟(2)，否則所有路由節(jié)點路徑規(guī)劃完畢，得到當(dāng)前傳輸周期的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在該傳輸周期按該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行信息傳輸即可；
在下一個傳輸周期，重復(fù)步驟(2)_(9)，以得到下一個周期的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并進(jìn)行信息傳輸；如此周而復(fù)始，得到每個傳輸周期的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，直到任一路由節(jié)點能量耗盡為止，即網(wǎng)絡(luò)失效。
[0023]下面結(jié)合一個非限定性實例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。由于不同路由節(jié)點剩余能量在該實施例中不便于展示，本實施例假定所有路由節(jié)點剩余能量相同(相當(dāng)于初始時的路徑規(guī)劃)。
[0024](I)初始化
設(shè)置N=60為路由節(jié)點數(shù)，分布1000mX 100m的二維空間(三維空間分布時改變距離計算方式，其余步驟不變)，見圖3，節(jié)點編號為I到60。(1為傳輸?shù)淖钸h(yuǎn)距離限制，實施例中分別取200m，250m及300m。
[0025]匯集節(jié)點編號設(shè)為O，s為匯集節(jié)點坐標(biāo)，維數(shù)IX 2( I行2列，下同)，next記錄每個路由節(jié)點的上行節(jié)點，維數(shù)I XN，初始時給-1，作為未被規(guī)劃的標(biāo)志。
[0026](2)計算幾個重要參數(shù)
dis_S_R，維數(shù)NX2，匯集節(jié)點到任意路由節(jié)點的距離，任意行兩個值分別表示路由節(jié)點號和距離，跟在那一行沒關(guān)系。計算好后將行按距離從小到大排序；
dis_R_R，維數(shù)N*N X 2，每個路由節(jié)點到其它路由節(jié)點的距離，其格式定義為:N* (1-1) +I行到N*(1-1)+N行為第i個節(jié)點到所有N個路由節(jié)點的距離，它們按距離從小到大排序，第I列為節(jié)點號，第2列為距離，排第I位的一定是節(jié)點自身，距離為O;
E_r,維數(shù)NX2，表示節(jié)點的剩余能量，第一列為路由節(jié)點號，第二列為剩余能量。
[0027](3)按到匯集節(jié)點距離從小到大取一個路由節(jié)點，序號i從I到N，路由節(jié)點號為temp=dis_S_R(i,I)
(4)根據(jù)dis_S_R(i，2)，若該節(jié)點到匯集節(jié)點距離超限:dis_S_R(i，2)>d，轉(zhuǎn)(6)
(5)將該節(jié)點直接連到匯集節(jié)點:next(temp )=0該節(jié)點的下一節(jié)點是匯集節(jié)點O，dis_R_track(temp)=dis_S_R( i ,2)該節(jié)點的真實路徑為它到匯集節(jié)點的距離，轉(zhuǎn)到(12)
(6)根據(jù)(^_1?_1?，由與temp的距離由小到大取節(jié)點(序號j從2:N，序號為I的節(jié)點是temp自己，不考慮)，序號為j時取得的節(jié)點號為templ=dis_R_R(N*(temp-l)+j，I)
(7)若dis_R_R(N*(temp_l)+j，2)>d，表示temp到tempi的距離超限，轉(zhuǎn)(II)
(8 )根據(jù)next，若temp I節(jié)點沒有下一節(jié)點，轉(zhuǎn)(1 )
(9)該節(jié)點為可選節(jié)點，計算當(dāng)選此節(jié)點tempi作為節(jié)點temp的下一節(jié)點時，以下的幾個值并保存:
temp I為temp轉(zhuǎn)發(fā)信息的能耗E (temp I)，能耗計算方法由其他文獻(xiàn)中的標(biāo)準(zhǔn)算法給出，不是本發(fā)明的內(nèi)容；
temp的信息通過temp I傳輸?shù)絽R集節(jié)點的總能耗，記為E_t (temp I)，其值為temp到t emp I的能耗+ t emp I到匯集節(jié)點的能耗。
[0028]除了待規(guī)劃節(jié)點temp以及可選節(jié)點tempi，再根據(jù)next可以找到從tempi開始直到匯集節(jié)點的所有節(jié)點，得到鏈路上所有節(jié)點的節(jié)點號(不含匯集節(jié)點)，將E_r中以這些節(jié)點號為行的全部第二列求和得到該路徑的總剩余能量，記為E_r_t。
[0029]計算總能耗和總剩余能量的比值a=E_t(templ)/E_r_t，計算節(jié)點templ的能耗與剩余能量的比值b=E(templ)/E_r(templ，2)，引入加權(quán)因子α(0〈α〈1)，計算評價因子為a*a+(1-<1)*13，實驗仿真中(1取為0.5;
(10)為temp規(guī)劃可選的路由節(jié)點尚未處理完畢，轉(zhuǎn)(6)
(11)從所有候選節(jié)點中選擇評價因子最小的節(jié)點作為為temp規(guī)劃的上行節(jié)點，修改:next(temp)
(12)待規(guī)劃的路由節(jié)點尚未處理完畢，轉(zhuǎn)(3)
(13)全部節(jié)點規(guī)劃完畢，得到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
[0030]圖4、5、6為路徑規(guī)劃結(jié)果，分別對應(yīng)了不同的最遠(yuǎn)傳輸距離限制的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，圖4對應(yīng)最遠(yuǎn)傳輸距離為200m;圖5對應(yīng)最遠(yuǎn)傳輸距離為250m;圖6對應(yīng)最遠(yuǎn)傳輸距離為300m。由于路徑規(guī)劃是按照距離匯集節(jié)點由小到大進(jìn)行，所以使所有節(jié)點的信息總體上朝著匯集節(jié)點的方向傳輸，提高了傳輸效率，降低了能耗。
[0031 ] 實施例還對執(zhí)行速度進(jìn)行了測試，在Pentium 3.2GHz計算機(jī)上，用VC++編程，由于初始化和距離參數(shù)都只需要一次計算，測試中從剩余能量計算開始到路徑規(guī)劃結(jié)束進(jìn)行循環(huán)測試，每個周期平均耗時僅為42mS，具有良好的速度性能。
[0032]本發(fā)明提出的基于節(jié)點傳輸能耗和剩余能量的路徑規(guī)劃方法，不僅操作簡單，容易實現(xiàn)，而且避免了大多數(shù)算法要進(jìn)行多次修改的弊端，大大提升了路徑規(guī)劃的速度。本發(fā)明以延長網(wǎng)絡(luò)生命周期為出發(fā)點，建立了路由節(jié)點選擇的評價因素，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點負(fù)荷的均衡性、能量消耗比例，多跳傳輸?shù)钠骄鴶?shù)等方面綜合考慮，實驗表明其性能良好，運(yùn)行速度快，可廣泛應(yīng)用于智能電網(wǎng)的監(jiān)測信息傳輸，智能小區(qū)，環(huán)境監(jiān)測，森林火警和洪災(zāi)預(yù)警等防災(zāi)減災(zāi)監(jiān)測，危險工作環(huán)境的探測工作領(lǐng)域。
[0033]最后需要說明的是，本發(fā)明的上述實例僅僅是為說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定。盡管
【申請人】參照較佳實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其他不同形式的變化和變動。這里無法對所有的實施方式予以窮舉。凡是屬于本發(fā)明的技術(shù)方案所引申出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之列。
【主權(quán)項】
1.一種基于節(jié)點能耗和剩余能量的無線傳感網(wǎng)絡(luò)路徑規(guī)劃方法，所述無線傳感網(wǎng)絡(luò)包含若干個路由節(jié)點和一個匯集節(jié)點；每個路由節(jié)點連接一個傳感器，可以將自身傳感器信息或來自于其他路由節(jié)點需要轉(zhuǎn)發(fā)的信息上傳到上行節(jié)點，并最終傳輸?shù)絽R集節(jié)點，由匯集節(jié)點傳輸給控制主機(jī);匯集節(jié)點不考慮能量消耗，路由節(jié)點攜帶的能量固定且不能補(bǔ)充，但傳輸能量可控，能根據(jù)傳輸距離調(diào)整發(fā)送功率;其特征在于，路徑規(guī)劃步驟如下， (1)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)初始化 a.根據(jù)路由節(jié)點和匯集節(jié)點的空間位置，計算匯集節(jié)點到各路由節(jié)點的距離并由小到大排序； b.計算每個路由節(jié)點到其它所有路由節(jié)點距離并由小到大排序； c.設(shè)定路由節(jié)點的最遠(yuǎn)傳輸距離，所有路由節(jié)點的最遠(yuǎn)傳輸距離相同；假設(shè)任一路由節(jié)點周圍至少有一個路由節(jié)點，它們兩者的距離在最遠(yuǎn)傳輸距離內(nèi)，即所有路由節(jié)點都不會成為孤立節(jié)點； (2)將到匯集節(jié)點距離最小的未規(guī)劃的路由節(jié)點作為待規(guī)劃節(jié)點并為其規(guī)劃上行節(jié)點，可以作為待規(guī)劃節(jié)點的上行節(jié)點可能有多個，這些上行節(jié)點稱為可選節(jié)點； (3)若待規(guī)劃節(jié)點到匯集節(jié)點的距離沒有超過設(shè)定的最遠(yuǎn)傳輸距離，則將匯集節(jié)點指定為待規(guī)劃節(jié)點的上行節(jié)點，實現(xiàn)一步傳輸，該待規(guī)劃節(jié)點的路徑規(guī)劃完畢，為其作已規(guī)劃標(biāo)志，轉(zhuǎn)步驟(9)判斷并選擇下一個待規(guī)劃節(jié)點；否則轉(zhuǎn)步驟(4)為其規(guī)劃上行節(jié)點； (4)在未考察作為待規(guī)劃節(jié)點可選節(jié)點的其它路由節(jié)點中，選擇到待規(guī)劃節(jié)點距離最小的路由節(jié)點作為可選節(jié)點，若距離超過最遠(yuǎn)傳輸距離限制，則可選節(jié)點考察完畢，轉(zhuǎn)步驟(8)，否則轉(zhuǎn)步驟(5); (5)如果步驟(4)選出的該可選節(jié)點未置路徑已規(guī)劃標(biāo)志，說明該可選節(jié)點本身未規(guī)劃路徑，不能作為待規(guī)劃節(jié)點的上行節(jié)點，轉(zhuǎn)步驟(7)，判斷是否還有可選的路由節(jié)點；否則轉(zhuǎn)步驟(6)計算該可選節(jié)點作為待規(guī)劃節(jié)點上行節(jié)點的評價參數(shù)； (6)針對待規(guī)劃節(jié)點和該可選節(jié)點，計算該可選節(jié)點的傳輸能耗、該可選節(jié)點的剩余能量、總傳輸能耗和總剩余能量;然后計算該可選節(jié)點的傳輸能耗與該可選節(jié)點的剩余能量的比值以及總傳輸能耗與總剩余能量的比值，將這兩個比值加權(quán)求和得到評價參數(shù)； 可選節(jié)點的傳輸能耗是指可選節(jié)點將信息傳遞到它的上行節(jié)點所消耗的能量;該可選節(jié)點初始能量減去以前傳輸過程消耗的能量即為該可選節(jié)點的剩余能量;總傳輸能耗為將傳感器信息從待規(guī)劃節(jié)點通過該可選節(jié)點一直傳輸?shù)絽R集節(jié)點時各節(jié)點所消耗的能量之和;總剩余能量是待規(guī)劃節(jié)點通過該可選節(jié)點一直傳輸?shù)絽R集節(jié)點的鏈路上不含匯集節(jié)點外的其他所有節(jié)點的剩余能量之和； (7)判斷可以作為可選的路由節(jié)點是否選擇完畢，若還存在則轉(zhuǎn)到步驟(4)選擇下一個可選節(jié)點，否則轉(zhuǎn)步驟(8); (8 )對所有計算了評價參數(shù)的可選節(jié)點按評價參數(shù)排序，選擇評價參數(shù)最小的可選節(jié)點作為待規(guī)劃節(jié)點的上行節(jié)點，并作已規(guī)劃標(biāo)志； (9)判斷是否還存在未規(guī)劃路由節(jié)點，若有則轉(zhuǎn)步驟(2)，否則所有路由節(jié)點路徑規(guī)劃完畢，得到當(dāng)前傳輸周期的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在該傳輸周期按該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行信息傳輸即可； 在下一個傳輸周期，重復(fù)步驟(2)_(9)，以得到下一個周期的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并進(jìn)行信息傳輸；如此周而復(fù)始，得到每個傳輸周期的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，直到任一路由節(jié)點能量耗盡為止，此時視為網(wǎng)絡(luò)失效。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于節(jié)點能耗和剩余能量的無線傳感網(wǎng)絡(luò)路徑規(guī)劃方法，其特征在于，步驟(6)中，該可選節(jié)點的傳輸能耗與該可選節(jié)點的剩余能量的比值的權(quán)值與總傳輸能耗與總剩余能量的比值的權(quán)值均為0.5。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于節(jié)點能耗和剩余能量的無線傳感網(wǎng)絡(luò)路徑規(guī)劃方法，其特征在于，在每個傳輸周期，控制主機(jī)將得到的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和每個節(jié)點分配的時隙信息進(jìn)行封裝生成控制信息包，然后通過匯集節(jié)點采用廣播方式發(fā)送給每個路由節(jié)點，同時啟動該傳輸周期。
【文檔編號】H04W52/02GK106028417SQ201610369344
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月26日
【發(fā)明人】毛玉星, 趙慧源, 成濤, 嚴(yán)冬梅, 周晉濤
【申請人】重慶大學(xué)