认知传感器网中一种基于稳定性的能效路由协议制造技术

本发明专利技术公开了认知传感器网中一种基于稳定性的能效路由协议。包括采用改进的LEACH算法对授权用户进行分簇，采用授权用户占用信道模型、能量和时延模型进行建模，采用稳定性因子为授权用户传输信息的路由选择和系统能量消耗情况进行权衡。本发明专利技术能找出一种受主用户影响最小的合理路径选择方案，减少链路失效的次数，且保证较小的能量消耗，从而能够有效的均衡网络能量，延长网络生命周期。

A stability based energy efficient routing protocol in cognitive sensor networks

The invention discloses a stability based energy efficiency routing protocol in cognitive sensor networks. It adopts the improved LEACH algorithm to cluster the authorized users, uses the authorized user to model the channel model, energy and time delay model, and uses the stability factor for the routing selection of the authorized users to transmit information and the energy consumption of the system. The invention can find a reasonable path selection scheme with the least influence of the main user, reducing the number of link failure and ensuring less energy consumption, thus effectively balancing network energy and prolonging the network life cycle.

【技术实现步骤摘要】
认知传感器网中一种基于稳定性的能效路由协议
本专利技术涉及无线传感器领域，特别涉及认知用户和传感器节点组成的无线传感器网络中基于稳定性的能效路由方法。
技术介绍
无线传感器网络(WirelessSensorNetworks，WSN)已经成为许多日常活动中通过自动化应用来改善人们的生活质量的关键性解决方案。WSN广泛应用于空气污染监测，森林火灾报警，健康监测，目标跟踪，环境监测，山体滑坡检测和战场监测等。无线传感器网络使用典型的标准，由于与标准Wi-Fi，蓝牙，无线麦克风和微波炉共存，接收到增加的干扰，严重降低了性能，因此频繁过载。为了减轻无线干扰的影响，可以利用软件定义无线电的优点。认知无线电允许使用无线电进行机会性频谱接入，并在设备中引入智能，以便它们可以自主监控频谱使用，并决定哪个频段是空闲的，从而减轻无线干扰。形成了认知无线传感器网络。配备认知无线电的传感器通常被称为认知无线传感器网络。无线传感器网络(WSN)由大量传感器节点组成的无线网络，并形成维持所有节点和基站(basestation，BS)之间的通信的自组织网络。由于每个节点能量有限和大量传感器节点的部署，有效利用能源至关重要。WSN主要使用分层算法，根据适当的分层算法构建的高效拓扑控制结构可以有效地控制和消耗有限的能量。常见的分层路由算法包括LEACH和HEED。文献提出了基于LEACH的动态多跳技术(DMHTLEACH)协议，通过簇头(clusterhead,CH)之间多跳路由将数据传到动态技术基站(BS)。文献提出了高能LEACH算法，考虑了每个节点的能量和位置因素，优化了簇头选择和数据传输模式。然而，在簇首选择阶段和数据传输阶段，没有考虑路由过程的稳定性。如果路由过程失效，要想完成数据传输，必须重新建立路由。文献依据动态源路由协议(DynamicSourceRouting，DSR)，提出了基于稳定性的信道分配算法，在路由过程进行信道分配。显然，稳定性和能量是研究WSN的两大重要的因素。在路由过程中要综合考虑两者的影响，以便更好解决由于网络的动态性带来的路由稳定性问题和节点能量有限的问题。
技术实现思路
针对以上现在技术的不足，本专利技术专利技术讨论认知用户和无线传感器组成的网络中能量效率问题，提出了认知传感器网中一种基于稳定性的能效路由协议，优化了簇头选择和数据传输模式，从而延长网络生命周期，有效提升了能量效率。本专利技术的认知传感器网中一种基于稳定性的能效路由协议，包括以下步骤：步骤101：采用改进的LENCH算法为授权用户分簇；步骤102：采用授权用户占用信道模型进行建模,排除不符合的路由；步骤103：根据k-最短路径方法对候选路由进行选择出最佳路由。优选地，所述步骤101采用改进的LENCH算法为授权用户分簇包括：算法以邻居发现阶段开始，邻居发现阶段由基站通过某一功率电平向所有节点广播广告消息来发起。每个节点在向其邻居广播(ID,E)消息并从邻居节点收集数据，其中ID是节点标识符，E是节点剩余能量。每个节点将其能量水平与其已经从其接收到广播消息的节点的能量水平进行比较。如果传感器节点具有较少的能量，则其将决定为群集成员(即非簇头)，否则为簇头。改进的算法考虑了每个节点的能量和位置因素，以优化CH选举和数据传输模式。它将节点的当前能量和位置因子引入到阈值中，以进一步减少CH的随机性分配，以优化CH选举。考虑到LEACH和LEACH-C的CH选择的随机性，本文综合了节点位置和能量信息，以优化阈值公式[13]。其中p表示节点成为CH节点的概率，r是当前轮次，G表示最后1/p轮中没有成为CH的节点列表。mod是模数运算符号。Eicurrent节点i的当前能量，Eavg是传感器网络的平均能量，d(i,BS)是节点从i到BS的距离，dmax(i,BS)和dmin(i,BS)表示从节点i到BS的最大和最小距离。为了避免选择较低能量节点作为CH，本文将节点的当前能量和网络的平均能量引入阈值公式，使能量大于网络平均能量的节点变为CH。同时，公式考虑了节点位置因子。总之，改进的算法从上述两个方面优化了CH选举。优选地，所述步骤102采用授权用户占用信道模型进行建模,排除不符合的路由：通过考虑上面的优化问题，我们提出以下算法来找到满足端对端延迟约束的一条最小成本路由。该算法基于成本函数计算从群头i到目标节点j的每个链路的costij，是为了达到整个网络能量消耗均衡而考虑传感器的剩余能量的成本函数。然后它使用深度优先搜索(DFS)算法计算从群头节点x到汇点的可能路由的数量。每个链路对应计算一个链路稳定性值Ps(ni,nj,ck)，然后通过公式Prr≥Pm，Rk∈R(X,S)Prr为稳定度因子，对每个链路计算源节点到当前节点的路径稳定度因子Prr，如果某链路计算出的Prr不满足条件就丢弃该链路，如果这些链路都不满足该条件的稳定性约束，该节点就丢弃该RREQ包。优选地，所述步骤103根据k-最短路径方法对候选路由进行选择出最佳路由：首先排除不满足稳定性的路由，然后根据k-最短路径方法对剩余每条链路的costij进行选择，最后选取k个最小成本路由。在确定最小成本路由Rk(初始k＝1)之后，算法使用延迟公式计算该路由的端到端延迟Dete(Rk)。然后，检查该端到端延迟是否可以满足指定的阈值Δ。如果是，则选择Rk，否则，将删除Rk并将其添加到NoSa。最后删除不满足延迟界限Δ的最小路由。目的节点选定目标路由后，生成RREP数据包，根据RREP数据包记录的路由信息，目的节点沿着逆向目标路由路径向源节点回复一个路由应答分组RREP,源节点收到RREP后，路由就此建立。本专利技术的有益效果在于：本专利技术针对认知用户和无线传感器节点组成的传感器网络中路由能效问题，该方法引入了稳定性因子，通过采用授权用户占用信道模型建模，并不断调整稳定性因子来研究路径选择与系统能量消耗的关系，找出一种受主用户影响最小的合理路径选择方案，减少链路失效的次数，且保证较小的能量消耗，从而能够有效的均衡网络能量，延长网络生命周期。附图说明图1本专利技术基于稳定性的路由方法优选实施例流程图；图2本专利技术授权用户占用信道模型图；图3本专利技术次用户处理RREQ消息流程图；图4本专利技术路由建立阶段中间节点流程图；图5本专利技术传输数据与分簇次数的关系；图6本专利技术生存周期与重建次数的关系；图7本专利技术不同稳定性约束Pm值下总能量消耗比较；图8本专利技术授权用户2的活动因子对总能量消耗的影响；具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点表达得更加清楚明白，下面结合附图及具体实施案例对本专利技术做进一步详细说明。图1所示为本专利技术用于授权用户和传感器节点的基于稳定性的路由方法优选实施例流程图，该方法包括以下步骤：步骤101：采用改进的LENCH算法为授权用户分簇；步骤102：采用授权用户占用信道模型进行建模,排除不符合的路由；步骤103：根据k-最短路径方法对候选路由进行选择出最佳路由。图2为本专利技术用于授权用户和传感器节点组成的传感器网络中授权用户占用信道模型图，包括：对于传感器网络，每条路由都会受到链路稳定性的影响。一旦授权用户的活动导致链路的某个传输信道失效，必然造成整个路由失效，此时必须重新建立路由。而重建路由往往会消耗额外的能量和浪费本文档来自技高网...

【技术保护点】
认知传感器网中一种基于稳定性的能效路由协议，其特征在于，包括以下步骤：步骤101：采用改进的LENCH算法为授权用户分簇；步骤102：采用授权用户占用信道模型进行建模,排除不符合的路由；步骤103：根据k‑最短路径方法对候选路由进行选择出最佳路由。

【技术特征摘要】
1.认知传感器网中一种基于稳定性的能效路由协议，其特征在于，包括以下步骤：步骤101：采用改进的LENCH算法为授权用户分簇；步骤102：采用授权用户占用信道模型进行建模,排除不符合的路由；步骤103：根据k-最短路径方法对候选路由进行选择出最佳路由。2.根据权利要求1所述的认知传感器网中一种基于稳定性的能效路由协议，其特征在于，所述步骤101采用改进的LENCH算法为授权用户分簇：算法以邻居发现阶段开始，邻居发现阶段由基站通过某一功率电平向所有节点广播广告消息来发起。每个节点在向其邻居广播(ID,E)消息并从邻居节点收集数据，其中ID是节点标识符，E是节点剩余能量。每个节点将其能量水平与其已经从其接收到广播消息的节点的能量水平进行比较。如果传感器节点具有较少的能量，则其将决定为群集成员(即非簇头)，否则为簇头。改进的算法考虑了每个节点的能量和位置因素，以优化CH选举和数据传输模式。它将节点的当前能量和位置因子引入到阈值中，以进一步减少CH的随机性分配，以优化CH选举。考虑到LEACH和LEACH-C的CH选择的随机性，本文综合了节点位置和能量信息，以优化阈值公式[13]。其中p表示节点成为CH节点的概率，r是当前轮次，G表示最后1/p轮中没有成为CH的节点列表。mod是模数运算符号。Eicurrent节点i的当前能量，Eavg是传感器网络的平均能量，d(i,BS)是节点从i到BS的距离，dmax(i,BS)和dmin(i,BS)表示从节点i到BS的最大和最小距离。为了避免选择较低能量节点作为CH，本文将节点的当前能量和网络的平均能量引入阈值公式，使能量大于网络平均能量的节点变为CH。同时，公式考虑了节...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱江，雷云，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50