[發明專利]基于ZigBee的群集樹形無線傳感器網絡的節能路由方法

在審

• 申請號: 202110481285.5
• 申請日: 2021-04-30
• 公開（公告）號: CN113347680A
• 公開（公告）日: 2021-09-03
• 發明（設計）人: 曹寧;王潔夫;沈歡
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: H04W40/10
• 分類號: H04W40/10;H04W52/02
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 張華蒙

本發明公開了基于ZigBee的群集樹形無線傳感器網絡的節能路由方法，屬于通信網絡技術領域，以ZigBee規范定義的網絡層與應用程序層同IEEE802.15.4規范定義的物理層和數據鏈路層為基礎，新提出的節能路由方法將整個群集網絡按照各節點的功率等級劃分成不同的子群集組，子群集組網的工作方式和整個大的群集網絡相同。新的劃分令整個傳感器網絡在顯著地降低功耗，從而大大延長網絡的使用壽命，充分提高無線傳感器網絡(WSN)的能量利用率。為不需要高傳輸速率的應用場景提供切實可行的選擇，如農業監管、農業醫療、公園智能家居領域。

技術領域

本發明屬于通信網絡技術領域，具體涉及基于ZigBee的群集樹形無線傳感器網絡的節能路由方法。

背景技術

無線傳感器網絡(WSN)是無線網絡的一種類型，其由稱為傳感器節點的網絡集合而成。每個節點通過直接或與其他節點的相互通信與網絡中的一個或多個傳感器相關聯。群集狀結構是近年來日益受到重視的重要結構之一。WSN的拓撲結構可以是星形網絡或者多跳無線網狀拓撲。WSN的各個節點的成本將會影響到整個網絡的能量限制、通信帶寬、內存以及傳感器節點的計算速度。

目前，因為WSN的節點依賴有限的電池電量，如何降低能耗成為無線傳感器網絡中亟待解決的問題。若進行低功耗傳輸將對網絡的連續性產生影響，而高功率傳輸將會縮短節點及網絡的使用壽命。為最小化功耗和最大化WSN網絡壽命，一些方案提出將臨時網絡中功耗降至最低的權衡優化方案，即通過對能量負載進行改善以及減少流量傳播的平衡下實現優化；也有方案提出基于傳感器狀態的群集傳感器網絡最佳方案，即將整個能耗問題視為一個完整線性編程模型，采用基于人工智能提出的禁忌搜索算法(Tabu Search)來縮短計算時間，輔以固定樹松弛和迭代分布式算法來解決功率分配問題。但上述方案有明顯的缺點，即只適用于大規模網絡中的某些傳感器網絡應用。

為了改善性能以及延長WSN的使用壽命，無線傳感器網絡采用了ZigBee與IEEE802.15.4標準。ZigBee規范規定了將采用一種利用信標的樹形結構拓撲來定義IEEE802.15.4網絡的一個實例。網絡層與應用程序層仍由ZigBee規范定義，而物理層和數據鏈路層則由IEEE802.15.4標準規定。ZigBee與IEEE802.15.4標準因其低成本和低功耗而非常適用于WSN。但根據實際情況的使用，仍存在一些問題：

(1)ZigBee規范不能為節點提供任何節能機制，這將令由電池供電的ZigBee網絡壽命降至幾天之內；

(2)無線傳感器網絡中多個節點處于活躍狀態時，路由算法無法精確求出時間比例，會發生回撤現象。

發明內容

發明目的：本發明的目的是提供基于ZigBee的群集樹形無線傳感器網絡的新型節能路由方法；在適當的應用領域，新的算法以較低傳輸速率運行整個WSN，提高整個WSN的性能，更好地提高WSN的能量利用率，同時擴展ZigBee的可用性，提升ZigBee通訊技術的應用優勢。

技術方案：為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：基于ZigBee的群集樹形無線傳感器網絡的節能路由方法，包括以下步驟：

步驟1：計算此群集組中各個節點的功率等級Pi，i＝1,2,3……n，并對其進行測量，然后將整個網絡劃分為數個子群集組Tj，j＝1,2,3……m，其中n代表所有節點的個數，m代表所有子群集組的個數；

步驟2：對所有節點的功率等級Pi進行排序；

步驟3：尋找出每個子群集組Tj中最大的功率等級Pj，j＝1,2,3……m，Pj對應的節點作為Tj中的代表，稱其為子群集組中的代理agent。

進一步地，所述的步驟2中，具體為：找出整個網絡中功率等級的最大值記為Pmax，將Pmax代表的節點作為整個網絡功率中最大的節點，并將其記為群集頭head。