一种基于半径递增有向成簇的WSN路由设计方法技术

本发明专利技术公开一种基于半径递增的有向成簇路由设计方法。首先各传感器节点以较小半径值R

【技术实现步骤摘要】
一种基于半径递增有向成簇的WSN路由设计方法
本专利技术涉及无线传感器网络的路由设计领域。
技术介绍
在无线传感器网络的各项技术中，路由的设计是核心问题之一，其作用是寻找一条或多条满足一定条件的、从源节点到目的节点的路径，然后将数据分组沿着所寻找的路径进行传送。网络节点的能量和硬件资源有限是无线传感器网络区别于传统网络最主要特点，所以，路由设计的主要目标是在保证服务质量和安全性能的前提下，尽可能地降低网络运行的能量消耗，提高能量消耗的均衡性能。目前的路由机制多采用层次路由设计方案，网络中的节点呈现出簇、链、树相结合的混合路由结构，不同层次的节点在完成数据采集和处理的基础上，还在网络中承担不同的功能，以提高网络的运行效率。一个良好的路由协议在降低网络的通信能耗、延长网络的生命周期上具有不可替代的作用。WSN路由协议的研究成果有许多，但还存在一些问题。路由的设计必须符合和满足WSN的特点，如由于能量资源、计算能力、存储空间等限制，路由的设计不能采用过于复杂的算法。另外，由于拓扑结构动态变化和通信负载较低等特点，路由算法的设计还存在较大的发展空间。
技术实现思路
为了解决上述现有技术的不足，本专利技术提供一种基于半径递增有向成簇的WSN路由设计方法。首先各传感器节点以较小半径值R0为竞选半径根据权值大小进行自由组簇，确定自身属于簇头还是簇成员节点，而后未接入网络的节点扩大竞选半径至2R0进行组簇，根据权值公式选择一个父节点，如果仍存在节点未接入网络，则该节点继续扩大组网半径到3R0或4R0，直于所有的节点均接入网络。其中，在半径R0内，允许节点向相对于基站的反方向进行数据传输，而在半径R0以上，则不允许节点向基站的反方向传输数据，以免造成能量浪费。同时，本专利技术明确了权值计算的具体公式和基准半径参考值。本专利技术降低了路由算法的复杂度，简化路由路径生成的步骤，提高了网络能量的利用效率和均衡性能，具有一定的社会和经济效益。附图、表说明图1是本专利技术的前向传输原理示意图。图2是本专利技术的链中组簇原理示意图。图3是本专利技术的宏观组网流程图。图4是本专利技术的基准半径R0内组簇流程图。图5是本专利技术的网络最终路由结构示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、特征、优点更加明显易懂，下面结合基础基论、公式附图，按照基本原理、宏观流程、具体步骤的顺序对本专利技术做进一步的详细说明。(1)基本原理①前向传输。如图1所示，节点i在选择向基站传输数据的下一跳节点(中继节点)时，只能把数据传输给在其通信范围内距离基站更近的邻节点中的一个，其可能的位置为：以基站为中心、基站到节点i的距离为半径的圆和以节点i为中心、以节点i通信距离参数dR为半径的圆的重合区域，这排除了节点向后传输数据的可能。②链中组簇。如图2所示，(c)和(d)为链中组簇结构，相对于(a)和(b)所示的链结构和簇结构有以下几个优势：①减少了网络的层次，降低了延时；②能够对节点的能量进行筛选，将低能量节点以分支形式接入网络；③采用小簇形式，降低组簇的能量消耗和簇内的维护成本。(2)宏观流程①图3为本专利技术的宏观组网流程图。在网络初始化后，各节点首先以较小半径值R0为进行自由组簇，然后检测是否还存在节点没有进入网络，若存在，则以2R0为半径进行组簇，若仍有节点未进入网络，则继续扩大组网半径，直至所有节点均进入网络。②图4为节点以R0为半径进行组簇流程图。采用投票方式选择簇头，各节点根据下列公式计算半径R0范围内节点权值，将票投给权值最大的节点，推荐其为备选簇头，而后各备选簇头检查自身周围是否存在其他备选簇头，若无其他备选簇头，则宣布自身成为簇头，若有，则根据票数与权值确定最终的簇头。式中，E(i)为节点剩余能量，为全网节点平均剩余能量估计值，Ddegree1(i)为节点的节点度，w为调节系数。③在组簇半径大于2R0时，则要求节点只能向距离基站更近的节点传送数据，以减少能量的损耗，各节点在选择下一跳节点时采用下列权值公式：其中，E(j)为节点的能量，为全网节点平均剩余能量估计值，w为调节系数，dtoBS(i)和dtoBS(j)分别为节点i和节点j到基站的距离，d(i，j)为节点i和节点j之间的距离，Dback(j)为节点j的反向节点度(即由其节点度减去其可能的下一跳节点个数)。(3)具体步骤①初始化。初始化时，节点须根据接收基站信号的强度估计自身与基站的近似距离，确定节点度，并更新路由表、缓存表等信息。②基准半径R0内组簇。在基准半径R0内根据公式(1)计算权值选举簇头，由簇头召集簇内成员。在这个半径范围内，允许节点向距离基站更远的节点传送数据。③半径2R0内组网。对于未接入网络的节点，扩大组网半径至2R0，按照公式(2)计算权值，选择下一跳节点。在这个半径范围内，不允许节点向距离基站更远的节点传送数据。④半径3R0内组网。对于仍未接入网络的节点，扩大组网半径至3R0，按照公式(2)计算权值，选择下一跳节点。在这个半径范围内，不允许节点向距离基站更远的节点传送数据。⑤最终路由结构。当所示节点均接入网络后，得到最终路由路径。图5为最终路由路径示意图。需要指出的是，具体步骤数目是不固定的，完成组网的判断标志为全部节点均接入网络，若存在节点未接入网络刚增加一个基准半径单位，继续组簇，直至生成一个完整的路由路径。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于半径递增有向成簇的WSN路由设计方法：首先各传感器节点以较小半径值R

【技术特征摘要】
1.一种基于半径递增有向成簇的WSN路由设计方法：首先各传感器节点以较小半径值R0为竞选半径根据权值大小进行自由组簇，确定自身属于簇头还是簇成员节点，而后未接入网络的节点扩大竞选半径至2R0进行组簇，根据权值公式选择一个父节点，如果仍存在节点未接入网络，则该节点继续扩大组网半径到3R0或4R0，直于所有的节点均接入网络，其中，在半径R0内，允许节点向相对于基站的反方向进行数据传输，而在半径R0以上，则不允许节点向基站的反方向传输数据，以免造成能量浪费；同时，本发明明确了权值计算的具体公式和基准半径参考值；本发明生成一种综合了簇、链、树相结合的混合路由结构，降低了路由算法的复杂度，提供了一种能量高效、消耗均衡的无线传感器网络路由设计方案。2.根据权利要求1所述的一种基于半径递增有向成簇的WSN路由设计方法，其特征是：以基准半径为步长，逐步扩大节点的组网半径，直至所有节点均接入...

【专利技术属性】
技术研发人员：李长庚，陈东海，王超，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43