[發明專利]一種無線傳感器網絡分簇路由方法

在審

• 申請號: 202111435936.3
• 申請日: 2021-11-29
• 公開（公告）號: CN114040473A
• 公開（公告）日: 2022-02-11
• 發明（設計）人: 劉洪;陳錦山;譚沖;鄭敏
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所;國網福建省電力有限公司電力科學研究院
• 主分類號: H04W40/22
• 分類號: H04W40/22;H04W40/10;H04W40/20;H04W40/32;H04W84/18
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 楊怡清

本發明提供一種無線傳感器網絡分簇路由方法，包括：提供一部署有多個中繼節點的無線傳感器網絡；在所有存活的中繼節點中進行當前的無線網關節點的選舉；將當前的無線網關節點之外存活的中繼節點作為普通節點，進行簇首節點的選舉并建立分簇；傳感器接入到最近的中繼節點并將數據傳輸到中繼節點上，簇首節點以外的普通節點通過單跳的方式將數據傳輸到其對應分簇的簇首節點；簇首節點對數據進行數據融合，并且簇首節點之間采用多跳組網的方式傳輸數據，以將數據傳輸到無線網關節點；無線網關將數據傳輸到監測平臺；重復上述步驟。本發明的無線傳感器網絡分簇路由方法可以解決輸變配電場景下的無線傳感器網絡能耗過高，網絡生存周期過短的問題。

技術領域

本發明涉及無線傳感器網絡路由協議，具體涉及一種基于改進SSA算法的、面向輸變配場景的無線傳感器網絡分簇路由方法。

背景技術

輸電線路傳輸距離長，監測區域廣，并且處于室外，無人值守。變電站中布線復雜，長距離傳輸線易受電磁干擾。而監測環境信息和獲得設備運行狀況均依賴于大量的傳感器，包含微氣象、壓力、舞動、覆冰等傳感器，因此，無線傳感器網絡(Wireless SensorNetwork，WSN)^[1]技術是這一問題的有效手段。無線傳感器網絡是一種結合了傳感器技術和網絡通信技術，采用低成本的節點，自動組網，動態配置，具有較高的擴展性和魯棒性。因此，電力系統中各種傳感器被廣發使用。

而無線傳感器網絡中能耗的問題在輸變配電場景中仍有體現，無線傳感節點大部分由電池供電，而且長期處于無人值守地區，更換電池比較困難，即使節點使用取能技術，從周圍的環境獲取電能(如太陽能、機械振動能)，但是收環境的影響很大，降低系統尤為關鍵。同時，輸變配電環境中，監測區域大，傳輸距離長，包含著大量的傳感器，且難以供電，鏈狀的傳輸導致匯聚節點周圍的“熱點節點”承擔了大量傳感器節點的信息轉發，自身也在收集環境信息，能量被快速消耗，節點過早死亡，網絡生存周期嚴重縮短。

輸變配電場景中，傳輸數據到監測平臺的功能通常由4G模塊完成，4G模塊會定時向監測平臺發送心跳和數據，產生的能耗較大，大于相同時間下與單個傳感器通信產生的能耗。而中繼節點間也可以通過與傳感器通信的方式進行組網，并且產生的能耗會小于節點直接傳輸數據到監測平臺的能耗。

高效的路由和調度算法對于降低網絡的能耗，延長網絡的生存周期有著重要的作用，其綜合位置信息等各類因素，分配和調度節點數據報文的轉發，規劃較優的路徑，節省每一輪系統傳輸帶來的能耗，同時考慮節點的剩余能耗，保證負載均衡，防止特殊節點迅速死亡，延長網絡生存周期。

目前，現有的傳感器網絡分簇路由算法雖然相對于平面型路由均衡了負載，延長了網絡的生存時間^[3]。但也存在一個或多個以下的問題：1)沒有考慮到部分傳感器沒有組網能力，而且傳感器眾多的情況。具體來說，為了節約成本，部分傳感器的計算能力較低，不具有組網能力，無法成為“簇首節點”或中繼節點，只能以單跳的傳輸方式進行數據傳輸。2)沒有考慮到節點的剩余能量，能耗低的節點依然有一定的概率成為簇首，導致迅速死亡。3)沒有考慮到位置因素，選舉出的簇首可能為邊緣節點，導致這個網絡的結構分布不夠均勻，周圍的節點數量較少，或者距離匯聚節點距離較遠，傳輸代價較高。4)節點之間均為單跳傳輸，對于距離匯聚節點較遠的節點，提高發射功率，擴大傳輸半徑的代價很高，反而轉發到附近的節點，通過多跳傳輸會節省很多能量。因此，網絡傳輸中僅有單跳傳輸的策略是不足的。

因此，結合電力物聯網中輸變配電環境的特點，研究一個高效、節能和穩定的新的路由和調度算法，對于輸變配電場景的監測系統有著重要的意義。

麻雀搜索算法(Sparrow Search Algorithm，SSA)^[2]是由Xue等在2020年提出的一種模擬麻雀覓食和警戒行為的智能算法，在高維多峰的優化上其求解成功率、收斂速度等方面表現優異，已應用于圖像分割，三維無人機航空優化等場景。而輸變配電場景中節點個數眾多，對于最優簇首集合的選舉問題，SSA算法尋優精度高，有著一定的優勢，并且尚未應用在簇首選舉當中。