[發(fā)明專利]一種基于自然能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議

在審

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• 申請日: 2017-05-26
• 公開（公告）號: CN107182063A
• 公開（公告）日: 2017-09-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 熊鵬
• 申請（專利權(quán)）人: 上海電機學(xué)院
• 主分類號: H04W16/22
• 分類號: H04W16/22;H04W28/08;H04W40/10;H04W84/18
• 代理公司: 上海申匯專利代理有限公司31001
• 代理人: 翁若瑩,吳小麗

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議，尤其涉及一種基于自然能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議。

背景技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)由部署在檢測區(qū)域內(nèi)的大量無線傳感器節(jié)點組成。節(jié)點協(xié)作感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)的對象信息。節(jié)能與能耗均衡一直是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的重要課題。自然能采集技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)允許在節(jié)點上安裝經(jīng)濟實用的能量收集裝置，使得無限期地延長單個節(jié)點乃至整體網(wǎng)絡(luò)壽命成為可能。

由于節(jié)點的資源限制，WSN的路線尋找與保持是一件具有挑戰(zhàn)性的問題。有許多研究針對VANETs提出了不同的路由協(xié)定。文獻[Charles E.Perkins，Elizabeth M.Royer，“Ad-hoc On-Demand Distance Vector Routing”，Proceedings of the Second IEEE Workshop on Mobile Computer Systems and Applications，pp.90-100，1999.]提出的AODV協(xié)議使用探測來尋找路徑，為反應(yīng)式路由，使用傳統(tǒng)路由表，即一個目的地一個表位，記錄著下一個欲傳送節(jié)點。文獻[D.B.Jhonson and D.A.Maltz.“Dynamic Source Routing in Ad Hoc Wireless Networks，”inMobile Computing，Kluwere Academic Publishers，pp.153-181，1996]提出的DSR協(xié)議的路徑演算法會以來源路由當作路由基礎(chǔ)，其在傳送數(shù)據(jù)時，來源節(jié)點已經(jīng)有一條傳送路徑存在路由緩沖區(qū)，路由的路徑信息已經(jīng)放在數(shù)據(jù)分組的頭部，中繼節(jié)點就會依據(jù)該信息，傳送往目的地。

能量收集無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相比，由于額外的能量提供補給，節(jié)點的剩余能量不再單調(diào)下降，而會出現(xiàn)起伏波動的變化；節(jié)點耗盡能量后會進入休眠而不是永久死亡，自然能補給到達后可以恢復(fù)工作。對于一定規(guī)模的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，基于分簇的路由協(xié)議可以大大延長網(wǎng)絡(luò)壽命。

低能量自適應(yīng)集群層次(Low Energy Adaptive Cluster Hierarchy，LEACH)是最早的WSN分簇算法，基本思想是通過等概率地隨機選取簇頭把網(wǎng)絡(luò)負載平均分配到每個傳感器節(jié)點，但是LEACH沒有考慮每個節(jié)點剩余能量的變化，部分節(jié)點會因為能量消耗過快很快進入休眠。文獻[樊曉平，楊璽，劉少強等.具有能量補給的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由算法[J].計算機工程，2008，34(11)：120-122]提出一種有能量補給的分簇算法(PHC)，該算法以振動能量作為補給能量，在LEACH的基礎(chǔ)上同時考慮剩余能量和上一輪能量補給水平來確定簇頭選擇閾值。前一輪能量收集值實際上是一種自然能預(yù)測，但是顯然這種預(yù)測不夠準確。文獻[張玉娟.具有能量補給的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由算法研究[D].長沙：中南大學(xué)，2011]根據(jù)太陽能的光照特點，將全網(wǎng)的能量水平劃分為3個時期：耗能期、儲能期、穩(wěn)定期，并針對不同時期設(shè)定了不同的閾值進行簇頭選舉。仿真中采用的能量補給模型是梯形模型，該模型只能表征一天內(nèi)太陽能的變化。而實際網(wǎng)絡(luò)在布置后一般要求工作數(shù)周甚至數(shù)年，將一天的太陽能模型用于仿真并不合適。文獻[姚玉坤，王冠，任智等.能耗均衡的自供能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由算法[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2013，26(10)：1420-1425]提出的算法把PHC中的預(yù)測變量改進為：上一次該節(jié)點當選簇頭到當前輪的收集能量的總和。這種改進讓長期沒有當選簇頭的節(jié)點有機會成為簇頭，但是這樣做容易造成簇頭比例不穩(wěn)定，影響能耗均衡。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何改善無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量的均衡性，提高網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的平均能量水平。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種基于自然能的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇路由協(xié)議，其特征在于，步驟如下：

步驟1：能量預(yù)測

每一輪分簇過程開始前，先對本輪將會到達的能量補給做預(yù)測；

步驟2：簇頭選取

選取剩余能量最大或者能量補給最多的部分節(jié)點作為簇頭，承擔(dān)比其它節(jié)點更多的轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)任務(wù)；同時控制網(wǎng)絡(luò)中簇頭占節(jié)點總數(shù)的比例；

步驟3：普通節(jié)點入簇

簇頭選擇完成后，其它非簇頭的普通節(jié)點要加入成簇；普通節(jié)點比較經(jīng)過各個簇頭轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)到基站的耗能代價，然后選擇耗能最少的簇頭加入。