适用于无线光传感器网络的拓扑形成和路由方法技术

本发明专利技术提出了一种适用于无线光传感器网络的拓扑形成和路由方法，用于解决现有技术中存在的能量损耗不均衡和网络生存时间短的技术问题，实现步骤为：根据节点生成的随机数选举簇头节点；通过簇头节点和基站，普通节点之间的信息交互，建立簇结构；簇头节点汇聚普通节点的数据，并以单跳或者多跳的形式传输至基站；簇头节点监测其每一时隙下的剩余能量，为下一次簇头选举构建备选节点集合；实现无线光传感器网络拓扑路由特性。本发明专利技术基于能量模型优化簇头选举备选节点集合，平衡网络能量损耗，并且引入多跳机制路由机制，克服节点与基站距离受限问题，提高网络生存时间，可用于对能量平衡和生存时间有较高要求的无线光通信传感器网络。

【技术实现步骤摘要】
适用于无线光传感器网络的拓扑形成和路由方法
本专利技术属于通信
，涉及一种通信网络的拓扑形成和路由方法，具体涉及一种基于能量模型的光通信无线传感器网络的拓扑形成和路由方法，可用于对能量平衡和生存时间有较高要求的无线光通信传感器网络。
技术介绍
自由空间光通信(FSO，Free-SpaceOpticalCommunication)具有带宽高，无需频率许可，抗电磁干扰，保密性高，成本低廉的优点。无线光传感器网络(FSOSN，Free-SpaceOpticalCommunicationSeniorNetwork)是由多个FSO节点构成，通过FSO链路来满足多业务传输的需求。FSOSN不仅继承了FSO的优势，而且结合了传统无线网络(如Mesh和Ad-Hoc网络)自组织性和独立组网的特点。同时，FSOSN还具有较低的初始投资，安装快捷，灵活和可扩展性等优势。FSOSN可以与传统的有线、无线以及光纤网络互联，形成可靠、高数据传输速率的网络架构，这些网络可以应用与船舶、航空器、卫星和陆基之间的集云计算及数据处理为一体的高速信息系统中。目前，FSOSN组网的研究还不成熟，国内外公开的相应报道均比较少。由于FSOSN要求视距传输，对收发端对准性要求较高，因此FSOSN网络节点间的组网受到一些限制。同时，不同于传统无线网络，FSOSN链路功率受限且受到大气信道的影响，在接收端会降低信号功率，因此通信距离具有一定的限制，进而影响网络规模和网络的扩展性。在军事用途方面，战场环境下各个网络节点对于指挥站是非常重要的，某个节点的失效可能导致网络连通性的急剧下降；在民用方面，如热气球、人烟稀少没有充足电力供应的环境下，每个节点既要考虑通信质量，又要考虑节点能量损耗，最大限度延长网络节点的生存时间。因此，传统的Mesh、Ad-hoc中的组网技术不能照搬到FSOSN中。合理有效的网络拓扑结构及良好的路由算法可以最大限度的弥补FSOSN单项链路特性带来的缺陷，同时对通信系统性能和整个网络的生存也有重大影响。针对FSOSN视距通信的要求，目前解决方法主要有以下三类：(1)采用FSO多收发系统，扩大每个节点的通信覆盖范围，提高网络节点的连通率，在物理层面降低FSO单向链路对组网质量的影响；(2)将FSO与RF结合，组成混合的网络，通过分层控制，小规模网络采用RF，网络中继采用FSO；(3)从路由和网络拓扑角度分析，目前有以下两种解决思路：一是采用能够应用无线传感器网络的路由协议；二是设定特定的分层网络拓扑结构，节点的功能在网络建立前确定，通过区分普通节点与簇头节点，实现层次通信，在此基础上，采用特定的路由算法发现邻居节点和基站，建立链路，例如Asaduzzaman等人在“EnergyefficientcooperativeLEACHprotocolforwirelesssensornetworks”(JounalofCommunicationsandNetworks,Vol.12,No.4,Aug.2010.)上提到的Leach改进协议。该协议的路由选择模式是基于单跳形式的，当簇头节点距基站距离较近时，网络生存时间较高。但如果存在一些簇头节点的位置相对基站较远时，这些簇头节点在通信过程中将产生很大的能量损耗，致使簇头节点的生存时间降低；倘若节点距离基站的距离超过系统通信距离上限，该协议将不再适用于这种情况，因此这些节点将被孤立，无法与基站建立通信。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足，提出的一种适用于无线光传感器网络的拓扑形成和路由方法，用于解决现有技术中存在的能量损耗不均衡和网络生存时间短的技术问题。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案包括如下步骤：(1)无线光传感器网络中的每个节点利用邻居发现算法，寻找自身的邻居节点，并将找到的邻居节点储存到邻居路由表中；(2)计算无线光传感器网络簇头节点的选举阈值T(n)：其中，p为簇头节点期望的百分比，r为当前执行的轮数，G为备选节点集合；(3)无线光传感器网络中的每个节点随机生成0到1之间的随机数，并将比簇头节点选举阈值T(n)小的随机数对应的节点作为簇头节点；(4)每个簇头节点将包含自身信息的消息，根据邻居路由表向其不同的邻居节点广播，其中消息包含簇头节点的编号ID和位置Pi(Xi,Yi)、其它簇头节点编号ID的集合CHi、簇头节点与其它簇头节点之间距离的集合CHDi、簇头节点剩余能量E1以及簇头节点与基站之间的距离CHBi；(5)当簇头节点的邻居节点是簇头节点时，邻居节点将收到消息中的簇头节点编号ID添加到该邻居节点的集合CHi中，并计算其与收到消息中的簇头节点之间的距离，再将距离值添加到该邻居节点的集合CHDi中；(6)当簇头节点的邻居节点是普通节点时，邻居节点检查路由表中是否存在收到消息中簇头节点的最小跳数，若是，将该最小跳数设为备选路径参数，否则，则将收到的消息添加为最短路径参数，并存储到该普通节点的路由表中；(7)普通节点向距离自身最近的簇头节点发送请求消息，并加入到簇头节点中，实现无线光传感器网络簇结构的建立；(8)每个簇结构中的簇头节点采用一跳或者多跳的形式，将包含自身信息的消息发送给基站；(9)基站将接收到的各簇头节点的消息记录到基站路由表中，并从该路由表中选出各簇头节点与基站之间的距离CHBi的最小值，并将选出的最小值对应的簇头节点作为其传输信息的下一跳簇头节点；(10)基站的下一跳簇头节点选出其与其他簇头节点之间的距离CHBi的最小值，并将选出的最小值对应的簇头节点作为其传输信息的下一跳簇头节点；(11)根据步骤(10)，依次遍历所有簇头节点，直到所有簇头节点都可以获取到达基站的最优路径；(12)无线光传感器网络的簇结构中每个簇内的所有普通节点，依据其簇头节点分派的TDMA时隙，将数据发送到相应的簇头节点；(13)每个簇头节点按照步骤(11)获取的最优路径，将普通节点的数据发送给基站；(14)根据无线电能量模型推导簇头节点的能量公式E1：其中E1表示簇头节点的剩余能量，E0表示簇头节点的初始能量，n表示簇结构内部普通节点的个数，ETX_PE(mi)表示第i个普通节点中光电子器件所消耗的能量，mi表示第i个普通节点所发数据的比特数，ε表示自由空间能量系数，表示普通节点激光扫描角度，di表示第i个普通节点距簇头节点的距离，ER表示普通节点接收每比特数据所消耗的能量；(15)设置无线光传感器网络簇头节点能量的阈值Eth，每个簇头节点根据推导出的能量公式E1，将其每一时隙下自身剩余能量储存到自身节点中，当E1值低于能量的阈值Eth时，将该簇头节点从备选节点集合G中剔除，实现无线光传感器网络的拓扑路由特性。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：第一、本专利技术根据无线电能量模型推导出簇头节点剩余能量公式E1，利用能量公式E1优化了簇头选举备选节点集合，避免剩余能量小于能量阈值的簇头节点在下一次簇头选举中再次当选簇头节点，与现有技术相比，有效地平衡了FSOSN簇头节点的能量，延长了网络生存时间。第二、本专利技术通过发现邻居节点、生成簇结构、采用多跳方式传输节点数据等多个步骤，形成了一种适用于无线光传感器网络的拓扑路由方法，与现有技术相比，有效解决节点与基站的通信距离受本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于能量模型的无线光传感器网络的拓扑路由方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)无线光传感器网络中的每个节点利用邻居发现算法，寻找自身的邻居节点，并将找到的邻居节点储存到邻居路由表中；(2)计算无线光传感器网络簇头节点的选举阈值T(n)：

【技术特征摘要】
1.一种基于能量模型的无线光传感器网络的拓扑路由方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)无线光传感器网络中的每个节点利用邻居发现算法，寻找自身的邻居节点，并将找到的邻居节点储存到邻居路由表中；(2)计算无线光传感器网络簇头节点的选举阈值T(n)：其中，p为簇头节点期望的百分比，r为当前执行的轮数，G为备选节点集合；(3)无线光传感器网络中的每个节点随机生成0到1之间的随机数，并将比簇头节点选举阈值T(n)小的随机数对应的节点作为簇头节点；(4)每个簇头节点将包含自身信息的消息，根据邻居路由表向其不同的邻居节点广播，其中消息包含簇头节点的编号ID和位置Pi(Xi,Yi)、其它簇头节点编号ID的集合CHi、簇头节点与其它簇头节点之间距离的集合CHDi、簇头节点剩余能量E1以及簇头节点与基站之间的距离CHBi；(5)当簇头节点的邻居节点是簇头节点时，邻居节点将收到消息中的簇头节点编号ID添加到该邻居节点的集合CHi中，并计算其与收到消息中的簇头节点之间的距离，再将距离值添加到该邻居节点的集合CHDi中；(6)当簇头节点的邻居节点是普通节点时，邻居节点检查路由表中是否存在收到消息中簇头节点的最小跳数，若是，将该最小跳数设为备选路径参数，否则，则将收到的消息添加为最短路径参数，并存储到该普通节点的路由表中；(7)普通节点向距离自身最近的簇头节点发送请求消息，并加入到簇头节点中，实现无线光传感器网络簇结构的建立；(8)每个簇结构中的簇头节点采用一跳或者多跳的形式，将包含自身信息的消息发送给基站；(9)基站将接收到的各簇头节点的消息记录到基站路由表中，并从该路由表中选出各簇头节点与基站之间的距离CHBi的最小值，并将选出的最小值对应的簇头节点作为其传输信息的下一跳簇头节点；(10)基站的下一跳簇头节点选出其与其他簇头节点之间的距离CHBi的最小值，并将选出的最小值对应的簇头节点作为其传输信息的下一跳簇头节点；(11)根据步骤(10)，...

【专利技术属性】
技术研发人员：常鑫宇，尚韬，高妍，杨银堂，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61