面向无线传感器网络的多路径路由方法

1.本发明属于无线传感器网络领域。


背景技术：

2.近年来，随着通信技术的不断发展，传输机制也从有线通信逐渐转向了无线通信，无线传感器网络的出现开辟了传输机制研究的新维度。在无线传感器网络中，传感器节点之间的交互依赖于不同类型传感器之间的通信，例如压力传感器、湿度传感器、以及噪声传感器等。随着传感设备的不断进化，传感器不但具备强大的传感能力和存储能力，而且在处理和通信能力方面也得到了很大的提高。在无线传感器网络领域，高效的传输机制能够有效的提升网络性能。因此，如何设计高效的传输机制一直都是无线传感器领域需要解决的关键问题之一。
3.为了能够在保障网络整体性能的情况下还高效的利用网络中的能量，chithaluru等人提出了“adaptive ranking based energy effiffifficient opportunistic routing scheme in wireless sensor network”。在该文中，作者首先对节点进行分簇，并利用节点的剩余能量以及节点之间的距离对节点进行排名，在选择中继节点过程中，优先选择排名高的节点作为中继节点。该方法能够有效的利用网络中的能量资源，但该方法在分簇过程中并没有考虑节点的密度，容易出现某个簇中的节点个数较少的现象，从而导致网络资源消耗不均匀以及消息无法被更高效的传输。除此之外，在对节点排名过程中，该方法仅考虑了能量和节点之间距离两方面因素，并没有考虑传感器节点的缓存对网络性能的影响，这就容易造成节点在接收大量消息后，出现缓存资源被迅速耗尽，最终造成缓存溢出的现象。因此，以上问题亟需解决。


技术实现要素：

4.本发明目的是为了解决现有无线传感器网络的路由方法在分簇过程中没有考虑节点的密度，导致网络资源消耗不均匀以及消息无法被更高效的传输的问题，本发明提供了一种面向无线传感器网络的多路径路由方法。
5.面向无线传感器网络的多路径路由方法，所述的无线传感器网络中的每个传感器作为一个节点，该方法包括如下步骤：
6.s1、根据无线传感器网络中节点的疏密程度，对无线传感器网络进行分簇；
7.s2、为每个簇ci对应设置一个摆渡节点bi，并将所有摆渡节点收集消息的更新周期均设置为t；ci表示第i个簇，bi表示第i个簇的摆渡节点；i为整数；
8.s3、对于任意簇ci，选择簇ci中节点剩余能量最大的节点作为簇ci的簇头节点node
max
(e)；
9.s4、判断簇ci中的任意节点node(i)是否有消息需要传输给簇头节点node
max
(e)，结果为是，则执行步骤s5，否则，执行步骤s9；其中，node(i)表示第i个节点，i为整数；
10.s5、判断节点node(i)的下一跳候选节点集合中是否包括簇头节点node
max
(e)，结
果为是，将消息传输给簇头节点node
max
(e)，并执行步骤s9；否则，利用节点排名方法对节点node(i)的下一跳候选节点集合中的各节点权重进行计算及排名，且按权重从大到小的顺序对各节点进行排名，执行步骤s6；
11.s6、判断排名最高的节点node
′
(1)的权重是否大于η，结果为是，执行步骤s7，结果为否，执行步骤s8；其中，η为正实数；
12.s7、选择排名最高的节点node
′
(1)作为中继节点，并将消息传输给中继节点，执行步骤s9；
13.s8、选择排名最高的节点node
′
(1)和次高的节点node
′
(2)均作为中继节点，并将消息传输给中继节点，执行步骤s9；
14.s9、判断距离摆渡节点下一更新周期的剩余时间t是否等于0，结果为是，则执行步骤s10，结果为否，执行步骤s4；
15.s10、将簇ci的摆渡节点bi摆渡到簇ci的簇头节点node
max
(e)处，与簇头节点node
max
(e)进行通信，用于收集簇头节点node
max
(e)所存储的消息，并将所收集的消息传输到基站节点或目的节点，完成消息传输。
16.优选的是，s1、根据无线传感器网络中节点的疏密程度，对无线传感器网络进行分簇的实现方式为：
17.将无线传感器网络所在区域s划分成p个边长为d的正方形，且p个正方形分别定义为s1、s2、...s
p-1
和s
p
，其中，s1、s2、...s
p-1
和s
p
所在区域之和为s，对于任意正方形si所在区域和正方形sj所在区域的交集为空；i、j和p均为整数，i≠j，且i＝1,2
……
p，j＝1,2
……
p，
18.对于正方形si所在的区域的节点个数大于或等于n时，将正方形si所在的区域作为一个簇；n为整数；
19.对于正方形si所在的区域的节点个数小于n时，将与正方形si的四条边相邻的正方形中的节点个数进行比较，选择出节点个数最少的正方形；
20.当所选择出节点个数最少的正方形的个数为1时，将该所选择出节点个数最少的正方形作为选定正方形；当所选择出节点个数最少的正方形的个数为多个时，则选择所有节点到正方形si中心距离之和最小的正方形作为选定正方形；
21.若选定正方形已经属于某个簇，则将正方形si所在区域归属到选定正方形所在的簇中，否则，将选定正方形所在区域和正方形si所在区域作为一个簇。
22.优选的是，步骤s5中、利用节点排名方法对节点node(i)的下一跳候选节点集合中的各节点权重进行计算及排名，且按权重从大到小的顺序对各节点进行排名的实现方式为：
23.s51、节点node(i)的下一跳候选节点集合中的节点node(j)的权重wj定义如下：
[0024][0025]
其中，re(j)为节点node(j)的剩余能量；j为整数；
[0026]
te(j)为节点node(j)的总能量；
[0027]
rb(j)为节点node(j)的剩余缓存；
[0028]
tb(j)为节点node(j)的总的缓存；
[0029]
dis(i,j)为节点node(i)和节点node(j)之间的距离；
[0030]
α1、α2、α3、α4、α5分别为第一至第五项调节系数，α1、α2、α3、α4、α5均为大于0且小于1的实数；
[0031]
s52、对节点node(i)的下一跳候选节点集合中所有节点权重按从大到小的顺序进行排名，且权重越大的节点，节点的排名越高。
[0032]
优选的是，α1 α2 α3 α4 α5＝1。
[0033]
优选的是，t为大于0的正整数。
[0034]
优选的是，步骤s7或步骤s8中，消息传输给中继节点后，节点node(i)不再存储该消息。
[0035]
原理分析：本发明提出一种面向无线传感器网络的多路径路由方法，该方法首先基于节点密度，以及节点所在空间位置对网络进行分簇。为每个簇设置一个摆渡节点，并根据每个簇中节点的剩余能量选择一个簇头节点。对于任意一个簇，当节点node(i)有消息需要传输给簇头节点node
max
(e)时，如果节点node(i)的下一跳候选节点集合中包括簇头节点node
max
(e)，则直接将消息传输给簇头节点node
max
(e)。否则，基于节点剩余能量、剩余能量百分比、节点剩余缓存、剩余缓存百分比、节点之间距离对节点node(i)的候选节点集合中的节点计算权重。根据权重对节点进行排名，并根据排名最高的节点的权重来确定需要选择中继节点的个数以及需要选择哪些节点作为中继节点，进一步将消息传输给所选择的中继节点，直到消息被传输到簇头节点。每隔更新周期t(t为大于0的正整数)摆渡节点会摆渡到簇头节点处，与簇头节点进行通信，用于收集簇头节点所存储的消息，并将所收集的消息传输到基站节点或目的节点。
[0036]
本发明的优点：
[0037]
(1)本发明在分簇时，考虑了节点的密度因素，减少了某个簇中节点的个数过少，而引起的网络资源消耗不均匀以及消息不能被高效传输的现象。
[0038]
(2)在对簇中节点排名过程中，该方法不仅考虑了能量和距离两方面因素，还考虑了节点的缓存对网络性能的影响，可以在一定程度上减少缓存溢出的现象。
[0039]
(3)本发明所述面向无线传感器网络的多路径路由方法根据节点的权重来确定所选择的中继节点的个数，不但可以有效的利用网络中的资源，还能够确保消息的递交率。
附图说明
[0040]
图1是本发明所述面向无线传感器网络的多路径路由方法的流程图；
[0041]
图2是对无线传感器网络进行分簇的原理示意图。
具体实施方式
[0042]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0043]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0044]
参见图1说明本实施方式，本实施方式所述的面向无线传感器网络的多路径路由
方法，所述的无线传感器网络中的每个传感器作为一个节点，该方法包括如下步骤：
[0045]
s1、根据无线传感器网络中节点的疏密程度，对无线传感器网络进行分簇；
[0046]
s2、为每个簇ci对应设置一个摆渡节点bi，并将所有摆渡节点收集消息的更新周期均设置为t；ci表示第i个簇，bi表示第i个簇的摆渡节点；i为整数；
[0047]
s3、对于任意簇ci，选择簇ci中节点剩余能量最大的节点作为簇ci的簇头节点node
max
(e)；
[0048]
s4、判断簇ci中的任意节点node(i)是否有消息需要传输给簇头节点node
max
(e)，结果为是，则执行步骤s5，否则，执行步骤s9；其中，node(i)表示第i个节点，i为整数；
[0049]
s5、判断节点node(i)的下一跳候选节点集合中是否包括簇头节点node
max
(e)，结果为是，将消息传输给簇头节点node
max
(e)，并执行步骤s9；否则，利用节点排名方法对节点node(i)的下一跳候选节点集合中的各节点权重进行计算及排名，且按权重从大到小的顺序对各节点进行排名，执行步骤s6；
[0050]
s6、判断排名最高的节点node
′
(1)的权重是否大于η，结果为是，执行步骤s7，结果为否，执行步骤s8；其中，η为正实数；
[0051]
s7、选择排名最高的节点node
′
(1)作为中继节点，并将消息传输给中继节点，执行步骤s9；
[0052]
s8、选择排名最高的节点node
′
(1)和次高的节点node
′
(2)均作为中继节点，并将消息传输给中继节点，执行步骤s9；
[0053]
s9、判断距离摆渡节点下一更新周期的剩余时间t是否等于0，结果为是，则执行步骤s10，结果为否，执行步骤s4；
[0054]
s10、将簇ci的摆渡节点bi摆渡到簇ci的簇头节点node
max
(e)处，与簇头节点node
max
(e)进行通信，用于收集簇头节点node
max
(e)所存储的消息，并将所收集的消息传输到基站节点或目的节点，完成消息传输。
[0055]
本实施方式中，在分簇时，考虑了节点的密度因素，减少了某个簇中节点的个数过少，而引起的网络资源消耗不均匀以及消息不能被高效传输的现象。根据节点的权重来确定所选择的中继节点的个数，不但可以有效的利用网络中的资源，还能在确保消息的递交率的同时，减少传输过程缓存的溢出。node
max
(e)整体作为一个变量，表示簇头节点。
[0056]
进一步的，s1、根据无线传感器网络中节点的疏密程度，对无线传感器网络进行分簇的实现方式为：
[0057]
将无线传感器网络所在区域s划分成p个边长为d的正方形，且p个正方形分别定义为s1、s2、...s
p-1
和s
p
，其中，s1、s2、...s
p-1
和s
p
所在区域之和为s，对于任意正方形si所在区域和正方形sj所在区域的交集为空；i、j和p均为整数，i≠j，且i＝1,2
……
p，j＝1,2
……
p，
[0058]
对于正方形si所在的区域的节点个数大于或等于n时，将正方形si所在的区域作为一个簇；n为整数；
[0059]
对于正方形si所在的区域的节点个数小于n时，将与正方形si的四条边相邻的正方形中的节点个数进行比较，选择出节点个数最少的正方形；
[0060]
当所选择出节点个数最少的正方形的个数为1时，将该所选择出节点个数最少的正方形作为选定正方形；当所选择出节点个数最少的正方形的个数为多个时，则选择所有节点到正方形si中心距离之和最小的正方形作为选定正方形；
[0061]
若选定正方形已经属于某个簇，则将正方形si所在区域归属到选定正方形所在的簇中，否则，将选定正方形所在区域和正方形si所在区域作为一个簇。
[0062]
更进一步的，步骤s5中、利用节点排名方法对节点node(i)的下一跳候选节点集合中的各节点权重进行计算及排名，且按权重从大到小的顺序对各节点进行排名的实现方式为：
[0063]
s51、节点node(i)的下一跳候选节点集合中的节点node(j)的权重wj定义如下：
[0064][0065]
其中，re(j)为节点node(j)的剩余能量；j为整数；
[0066]
te(j)为节点node(j)的总能量；
[0067]
rb(j)为节点node(j)的剩余缓存；
[0068]
tb(j)为节点node(j)的总的缓存；
[0069]
dis(i,j)为节点node(i)和节点node(j)之间的距离；
[0070]
α1、α2、α3、α4、α5分别为第一至第五项调节系数，α1、α2、α3、α4、α5均为大于0且小于1的实数；
[0071]
s52、对节点node(i)的下一跳候选节点集合中所有节点权重按从大到小的顺序进行排名，且权重越大的节点，节点的排名越高。
[0072]
本优选实施方式中，在对簇中节点排名过程中，该方法不仅考虑了能量和距离两方面因素，还考虑了节点的缓存对网络性能的影响，可以在一定程度上减少缓存溢出的现象。
[0073]
更进一步的，α1 α2 α3 α4 α5＝1。
[0074]
更进一步的，t为大于0的正整数。
[0075]
更进一步的，步骤s7或步骤s8中，消息传输给中继节点后，节点node(i)不再存储该消息。
[0076]
本发明具体应用：
[0077]
根据无线传感器网络中节点的疏密程度对无线传感器网络进行分簇。所述分簇的实现方式为：
[0078]
将无线传感器网络所在区域s划分成p个边长为d的正方形，且p个正方形分别定义为s1、s2、...s
p-1
和s
p
，其中，s1、s2、...s
p-1
和s
p
所在区域之和为s，对于任意正方形si所在区域和正方形sj所在区域的交集为空；i、j和p均为整数，i≠j，且i＝1,2
……
p，j＝1,2
……
p，
[0079]
对于正方形si所在的区域的节点个数大于或等于n时，将正方形si所在的区域作为一个簇；n为整数；
[0080]
对于正方形si所在的区域的节点个数小于n时，将与正方形si的四条边相邻的正方形中的节点个数进行比较，选择出节点个数最少的正方形；
[0081]
当所选择出节点个数最少的正方形的个数为1时，将该所选择出节点个数最少的正方形作为选定正方形；当所选择出节点个数最少的正方形的个数为多个时，则选择所有节点到正方形si中心距离之和最小的正方形作为选定正方形；
[0082]
若选定正方形已经属于某个簇，则将正方形si所在区域归属到选定正方形所在的簇中，否则，将选定正方形所在区域和正方形si所在区域作为一个簇。
[0083]
以图2所示为例，将网络所在区域s划分为9个边长为d的正方形，每个正方形分别表示为s1，s2，...，s9。对于正方形s1所在的区域的节点个数大于或等于n，则将正方形s1所在的区域定义为簇c1，其中，在本实例中将n取值为5。对于正方形s5所在的区域的节点个数为2，小于5，则将s2、s4、s6以及s8中的节点个数进行比较，选择出节点个数最少的正方形，将该正方形所在区域和正方形s5所在区域定义为一个簇。在本实例中s6中的节点个数最少，因此，将正方形s5所在区域和正方形s6所在区域定义为一个簇。假设网络可划分成k个簇，分别表示为c1，c2，...，ck。k为整数。图2中的带数字的圆圈表示节点。
[0084]
为每个簇ci设置一个摆渡节点bi，并将所有摆渡节点收集消息的更新周期均设置为t(t为大于0的正整数)，在本实例中，将t设置为1小时。对于簇ci，选择簇ci中节点剩余能量最大的节点node
max
(e)作为簇ci的簇头节点。
[0085]
判断簇ci中的节点node(i)是否有消息需要传输给簇头节点node
max
(e)，当节点node(i)没有消息需要传输给簇头节点node
max
(e)时，判断距离摆渡节点bi下一更新周期的剩余时间t是否等于0，如果t等于0，则簇ci的摆渡节点bi摆渡到簇ci的簇头节点node
max
(e)处，与簇头节点node
max
(e)进行通信，用于收集簇头节点node
max
(e)所存储的消息，摆渡节点bi将所收集的消息传输到基站节点或目的节点，完成消息传输。
[0086]
如果t不等于0，继续判断簇ci中的节点node(i)是否有消息需要传输给簇头节点node
max
(e)。
[0087]
当节点node(i)有消息需要传输给簇头节点node
max
(e)时，如果节点node(i)的下一跳候选节点集合中包括簇头节点node
max
(e)，则直接将消息传输给簇头节点node
max
(e)，并判断距离摆渡节点bi下一更新周期的剩余时间t是否等于0，如果t等于0，则簇ci的摆渡节点bi摆渡到簇ci的簇头节点node
max
(e)处，与簇头节点node
max
(e)进行通信，用于收集簇头节点node
max
(e)所存储的消息，摆渡节点bi将所收集的消息传输到基站节点或目的节点，完成消息传输。如果t不等于0，继续判断簇ci中的节点node(i)是否有消息需要传输给簇头节点node
max
(e)。如果节点node(i)的下一跳候选节点集合中不包括簇头节点node
max
(e)，利用节点排名方法对节点node(i)的下一跳候选节点集合中的节点进行排名(假设节点排名由高到低分别为node
′
(1)，node
′
(2)，...，node
′
(n))。所述的节点排名方法定义如下：对于节点node(i)的下一跳候选节点集合中的节点node(j)，计算节点node(j)的权重，权重越大的节点，节点的排名越高。其中，节点node(j)的权重wj定义如下：
[0088][0089]
其中，re(j)为节点node(j)的剩余能量，te(j)为节点node(j)的总能量，rb(j)为节点node(j)的剩余缓存，tb(j)为节点node(j)的总的缓存，dis(i,j)为节点node(i)和节点node(j)之间的距离，α1 α2 α3 α4 α5＝1。α1、α2、α3、α4、α5分别为第一至第五项调节系数，α1、α2、α3、α4、α5均为大于0且小于1的实数；
[0090]
判断排名最高的节点node
′
(1)的权重是否大于η(η为正实数)，如果大于η，则选择排名最高的节点node
′
(1)作为中继节点，并将消息传输给节点node
′
(1)，完成消息传输后，节点node(i)不再存储此消息。
[0091]
判断距离摆渡节点bi下一更新周期的剩余时间t是否等于0，如果t等于0，则簇ci的摆渡节点bi摆渡到簇ci的簇头节点node
max
(e)处，与簇头节点node
max
(e)进行通信，用于收集
簇头节点node
max
(e)所存储的消息，摆渡节点bi将所收集的消息传输到基站节点或目的节点，完成消息传输。
[0092]
如果t不等于0，继续判断簇ci中的节点node(i)是否有消息需要传输给簇头节点node
max
(e)。如果排名最高的节点node
′
(1)的权重不大于η，则同时选择排名最高的节点node
′
(1)和次高的节点node
′
(2)作为中继节点，并将消息传输给节点node
′
(1)和节点node
′
(2)，完成消息传输后，节点node(i)不再存储此消息。判断距离摆渡节点bi下一更新周期的剩余时间t是否等于0，如果t等于0，则簇ci的摆渡节点bi摆渡到簇ci的簇头节点node
max
(e)处，与簇头节点node
max
(e)进行通信，用于收集簇头节点node
max
(e)所存储的消息，摆渡节点bi将所收集的消息传输到基站节点或目的节点，完成消息传输。如果t不等于0，继续判断簇ci中的节点node(i)是否有消息需要传输给簇头节点node
max
(e)。
[0093]
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。