[發明專利]一種分布式無線傳感網絡分簇路由方法

有效

• 申請號: 201611235772.9
• 申請日: 2016-12-28
• 公開（公告）號: CN106658641B
• 公開（公告）日: 2020-03-27
• 發明（設計）人: 張穎;周潤東;朱大奇;孫兵;吳秉橫;管張均;朱竹靈;熊偉;王明興;郝冠;方敏
• 申請（專利權）人: 上海海事大學
• 主分類號: H04W40/10
• 分類號: H04W40/10;H04W40/32;H04W84/18
• 代理公司: 上海三和萬國知識產權代理事務所(普通合伙) 31230
• 代理人: 陳偉勇

本發明公開了一種分布式無線傳感網絡分簇路由方法，主要解決無線傳感網絡簇內節點利用多跳通信方式進行數據傳輸時帶來的熱區問題導致的網絡能量負載不均衡問題。該方法是一種分布式方法，節點不依賴于對網絡整體拓撲結構的感知，僅依靠自身信息以及鄰居節點信息結合模糊邏輯選舉出合理的簇頭節點。簇頭選舉階段，利用模糊邏輯對節點進行性能分析，本發明以節點能量、節點度(鄰居節點個數)和鄰居節點能量作為評判指標，有效地緩解了多跳通信中常見的熱區問題，提升了結構網絡的健壯性，延長了網絡的生命周期，增強了系統數據傳輸的效率。

技術領域

本發明涉及無線傳感網絡網絡層優化技術，具體涉及一種分布式無線傳感網絡分簇路由方法。

背景技術

無線傳感網絡(Wireless Sensor Networks,WSNs)是一種多跳自組織網絡系統，由大量傳感器節點組成，節點之間通過無線通信的方式進行互聯互通。一般來說，無線傳感網絡由傳感器節點和匯聚節點組成，并且每個傳感器節點都具有數據接收和數據轉發的功能，也就是說每個節點既可以是普通節點，也可以實現路由轉發的作用。匯聚節點則相當于網關的角色，既負責對指定區域所管轄的傳感器節點收集到的信息進行數據融合，還需要負責與外部網絡(互聯網，移動通信網絡，衛星通信等)進行通信。隨著無線通信技術的發展以及低功耗無線射頻模塊在傳感器節點上的應用，無線傳感網絡現在已經廣泛應用于智能家居、環境監測、交通運輸、災害救援和國土安全之中，成為了物聯網發展的重要技術手段。

由于傳感器節點具有數目眾多、規模龐大、部署隨機、能量有限以及拓撲難以控制等特點，無線傳感網絡的網絡層通常采用分簇路由算法，將網絡系統由平面結構轉換成分層結構，以此來提升網絡的擴展性，降低系統的能耗，提升整體的性能。分簇路由算法提出了“輪”的概念，通過定期的簇首選舉，將整個網絡的能量負載平均分配到每個傳感器節點上，以提高動態網絡的高效性和魯棒性。每一輪開始時，通過一定的選舉機制來產生新的簇頭節點和成員節點。簇內成員節點通過多跳通信的方式將信息傳輸到簇頭節點進行數據融合，而簇頭節點與基站之間則采用單跳通信的方式實現數據上傳。

分簇路由算法大體上可以分為集中式和分布式兩類。集中式路由算法往往需要傳感器節點獲取全局拓撲信息，并結合智能算法(PSO、蟻群算法，k-means等等)對自身性能進行分析從而選舉出合適的簇頭節點，這種方式固然可以得到合理的簇分布拓撲，但對節點自身來說也會帶來巨大的能量消耗，且對于大規模無線傳感網絡，其靈活性不如分布式算法。因此，在無線傳感網絡實際應用中其實更傾向于使用分布式分簇算法。

在分簇路由算法中，簇頭節點由于需要承擔簇內數據融合以及和匯聚節點進行通信的任務，其能量消耗固然遠大于簇內的成員節點，但多跳通信中往往存在熱區問題，即離簇頭越近的節點，需要承擔的數據接收和數據轉發任務也就越多，所帶來的額外能量消耗也就越大，節點也就越容易過早死亡，破壞了通信鏈路的穩定性，對整個網絡的負載均衡和整體性能將會產生嚴重的影響。由此可以看出，簇頭節點的鄰居節點在數據傳輸的整個過程中其實也需要承擔較大的能量消耗。因此，分簇網絡中簇頭選舉算法在考慮節點剩余能量和節點度的同時，節點的鄰居節點剩余能量也是一個不容忽視的因素。

發明內容

為克服以上缺點，本發明提出一種分布式無線傳感網絡分簇路由方法。所述方法將分簇路由算法和模糊邏輯相結合，以節點剩余能量、節點度、鄰居節點剩余能量作為判定指標，實現合理的簇頭節點選舉，有效地避免了多跳通信所帶來的熱區問題對網絡系統性能的影響，實現了系統整體的負載均衡，延長了網絡的生命周期，提升了系統的整體性能。

本發明分布式無線傳感網絡分簇路由方法通過如下技術方案實現：

1、一種分布式無線傳感網絡分簇路由方法，包括以下步驟：