[發明專利]基于非均勻分簇的移動協助無線傳感器網絡路由方法

有效

• 申請號: 201510220903.5
• 申請日: 2015-05-04
• 公開（公告）號: CN104994554B
• 公開（公告）日: 2019-04-19
• 發明（設計）人: 彭艦;蘭恒武;劉唐;其他發明人請求不公開姓名
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: H04W40/10
• 分類號: H04W40/10;H04W84/16
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明給出基于非均勻分簇的移動協助無線傳感器網絡路由方法。方法分為：初始階段、分簇階段、RPs(rendezvous points)確定階段、路由階段。初始階段為網絡部署階段，并確定sink的移動軌跡。分簇階段時，考慮節點與移動sink的距離梯度、候選簇頭的剩余能量等因子。RP確定階段，討論了RPs節點集合的選取個數和寬度、具體的集合等。并針對簇頭節點從屬RP節點選取問題，簡化為0?1整數規劃模型。方法采用遺傳算法求出該整數規劃解的近似最優RPs的從屬節點集合。在路由階段時，采用多層級的路由：簇頭采集簇內成員的消息數據(包括數據融合)并擔任中繼節點的任務，RPs節點緩存簇頭節點轉發來的消息到移動sink。

技術領域

本發明屬于無線傳感器網絡技術領域，具體涉及基于非均勻分簇的移動協助WSNs路由方法。

背景技術

無線傳感器網絡作為一門交叉學科，主要涉及無線電通信技術、傳感器技術、嵌入式微處理器技術、信息安全技術等。近年來在多個領域內廣泛使用，包括軍事工業(如美C4ISRT系統)、航空、商業、生物醫療、反恐防暴、環境保護等。但由于WSNs能量限制問題，無線傳感器網絡受到限制和發展。如何減少能量消耗問題是目前WSNs中的研究熱點。目前在WSNs路由設計時，專家學者們不僅關注數據傳輸所帶來的能量消耗，而且關注WSNs中各節點能量消耗的不均衡性。這是由于在WSNs中，當一定數目或比例的傳感器節點失效或死亡時，出現能量空洞現象，從而使網絡中數據無法正常發送給sink(基站)，進而使網絡處于癱瘓狀態。

由Heinzelman W等人提出的LEACH協議是至今WSNs中引用率較高、較經典的分簇協議之一。LEACH協議是按輪成簇，在新的一輪重新進行簇頭選舉。通過設定一個閾值來確保每一個節點均有成為簇頭的機會。簇頭選舉完成后，普通節點根據簇頭廣播時收到的信號強度來判定加入最近的簇。成為簇頭的節點在路由階段，需要采集自身和簇頭成員的數據，并將之發送給sink。LEACH的缺陷：在大規模的網絡中，遠離sink的簇直接與sink通信，容易導致能量耗盡而失效。

DEBUC算法對LEACH算法改進了。該算法對LEACH簇頭選舉進行了改進，考慮了剩余能量和與sink距離的影響。在簇間路由時設計了以簇頭間的剩余能量、簇內節點數目、簇與sink的距離的為權值的函數，更好地平衡了簇頭節點之間的能量消耗。

在對WSNs上述問題的研究文獻中，專家學者采用分簇的路由機制來減少能量消耗、均衡網絡開銷。大量的研究表明，采用分簇路由機制有效地延遲了能量空洞現象的出現，延長了網絡的生命周期，充分地利用了網絡的各節點能量。

國內外一些專家學者也采用移動協助方式來減少節點的能量消耗。移動協助傳感器網絡一般采用移動sink策略來實現。在實時性要求比較高的網絡環境中，如戰場信息采集，一般的靜止基站網絡無法較好地滿足該要求，容易造成數據無法及時送達。此時使用移動的sink(如無人機搭載、士兵身上穿戴)匯集興趣信息較好地滿足了此類環境需求。移動sink的引入，在整體上減少了節點數據的轉發跳數，減少了網絡的能量消耗，從而延長了網絡的生命周期。

Ma M等提出的M-collector算法(為便于記憶)是一種基于多移動sink的算法。該算法在設計單個M-collector時，將最大限度地減少M-collector路徑的長度的問題簡化為一個混合整數規劃模型。針對單個M-collector無法遍歷整個網絡的情況時，該算法采用多M-collector同時遍歷較短的子旅行路徑的策略來達到減少延遲的目的。

該算法在設計單個M-collector移動策略時，假設M-collector只能在進入普通節點通信范圍內時，才收集該節點的數據。從該假設可以看出，該M-collector也是采用單跳收集數據。在通信半徑r與網絡半徑R比值r/R→0時，等價于旅行商問題。該問題即是減少M-collector的周游長度。然后該算法采用混合整數規劃來求解一條訪問節點的最優路徑。最后該算法提出使用多M-collector算法來解決應用程序時延問題，使用生成樹覆蓋算法來劃分子網絡，每個子網絡中設計一個M-collector。