一种基于最小生成树的无线传感网路由方法技术

本发明专利技术属于通信技术领域，具体为一种基于最小生成树的无线传感网路由方法，该基于最小生成树的无线传感网路由方法的具体步骤如下：步骤一、汇聚结点广播探测帧，网络其他结点收到探测帧后随机等待一段时间再进行转发；步骤二、接收到探测帧的结点记录探测帧的跳数及信号强度，每个结点最多记录M组探测帧信息；步骤三、对于各结点记录的每组探测帧，计算权重w，基于跳数及信号强度计算权重w来度量结点间路由的稳定性，权重w越小路由越稳定；步骤四、对全部网络结点，应用贪心算法生成最小生成树；步骤五、基于最小生成树划分分簇并生成分簇指向汇聚结点的路由。对于大规模无线传感网应用场景，提出的无线传感网路由方法具有重要应用价值。价值。价值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于最小生成树的无线传感网路由方法


[0001]本专利技术涉及通信
，具体为一种基于最小生成树的无线传感网路由方法。

技术介绍

[0002]无线传感网络是一种分布式传感网络，它的末梢是可以感知监测区域的传感器，传感器可监测声音、温度、光线、压力等物理数据。无线传感网络将采集到的数据按照一定的方式发送到汇聚结点，以实现对目标区域对象的监测。无线传感网络通过无线通信方式形成多跳自组织网络。
[0003]传统扁平式结构的无线传感网络，在大规模结点、多跳通信、大量传感数据需上报的场景下，容易产生“广播风暴”问题，导致网络拥塞和通信失败。
[0004]应用分簇来构造分层路由，成为解决该问题的一类方法。该类方法通常分为两阶段：第一阶段将所有结点分簇，各分簇内部簇成员与簇头间直接通信组成星型网络；第二阶段将各分簇的簇头与汇聚结点按一定方式连通形成路由，比如所有簇头与汇聚结点直接连通的方式(引证专利CN105959987A)、簇头形成一条链路后再与汇聚结点连通的方式(引证专利CN110493797A)。
[0005]然而，该类型分簇路由方法存在如下不足：
[0006]不足1：方法依赖结点间距离信息，成本高、实施效率低。大规模网络获取两两结点间的距离，需要巨大的测量工作或增加高精度定位模块来实现，过高的成本导致方法实施效率低。相关引证专利有：专利CN113747505A基于模糊逻辑，引入节点自身剩余能量和节点间距离参数对阈值函数进行优化，自适应地选择最佳簇头节点；专利CN112312511A进行簇头选择时，考虑了传感器节点到基站的距离和传感器节点当前的剩余能量，使距离基站较近和剩余能量大的传感器节点优先成为簇头；专利CN110493797A基于分簇优化的无线传感器网络拓扑控制算法计算从簇头到簇内任一节点能耗最小的通信链路过程中，需利用相邻节点间的距离来计算链路通信的综合权值；专利CN105959987A采用模糊K
‑
means聚类算法，先选取初始聚类中心，再对剩余的训练样本根据最小距离原则进行聚类。
[0007]不足2：先分簇再生成路由的两阶方法缺乏系统性优化、稳定性不佳。通常，该类方法第一阶段分簇时核心问题是簇头对簇成员的覆盖度，第二阶段构建簇头间路由时才考虑分簇间的连通性。这样，容易产生因簇头间距离过远或信号太弱导致簇头间通信不稳定甚至通信失败的问题。引证专利：专利CN113747505A首先基于模糊逻辑和改进阈值函数的簇头选举算法进行分簇，再基于改进蚁群系统的单跳和多跳混合路由协议，根据距离因素选择簇间单跳或多跳路由机制，确定簇头到基站的最优路由路径；专利CN112312511A首先应用改进的LEACH算法进行分簇，然后基于树算法构建簇头传输路由；专利CN109451557A首先应用LEACH算法或HEED算法初始化无线传感器网络并进行分簇，随后以拓扑图为基础，从源节点出发，采用启发式最小成本组播树算法构造一个总权值最小的组播树，生成的最小成本树以源节点为根，连接到所有簇头节点；专利CN110493797A利用分簇思想将网络分割为不同的簇，簇内运用最小生成树算法确定邻居节点关系，簇间通过簇头连接通信，形成优化
的骨干网络拓扑；专利CN105959987A采用LEACH算法对无线传感器网络进行分簇，簇内的成员节点将感应采集到的数据发送给簇头节点后，簇头节点将所有接收到的数据和自身采集到的数据直接发送给汇聚节点。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的在于提供一种基于最小生成树的无线传感网路由方法，以解决上述
技术介绍
中提出的方法依赖结点间距离信息，成本高、实施效率低，先分簇再生成路由的两阶方法缺乏系统性优化、稳定性不佳的问题。
[0009]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于最小生成树的无线传感网路由方法，该基于最小生成树的无线传感网路由方法的具体步骤如下：
[0010]步骤一、汇聚结点广播探测帧，网络其他结点收到探测帧后随机等待一段时间再进行转发；
[0011]步骤二、接收到探测帧的结点记录探测帧的跳数及信号强度，每个结点最多记录M组探测帧信息；
[0012]步骤三、对于各结点记录的每组探测帧，计算权重w，基于跳数及信号强度计算权重w来度量结点间路由的稳定性，权重w越小路由越稳定；
[0013]步骤四、对全部网络结点，应用贪心算法生成最小生成树；
[0014]步骤五、基于最小生成树划分分簇并生成分簇指向汇聚结点的路由；详细步骤如下：
[0015]B1：把具有相同父结点的叶子结点划入同一簇，父结点作为簇头；
[0016]B2：把具有相同父结点的簇头与叶子结点划入同一上级分簇，父结点作为改上级分簇的簇头；
[0017]B3：同一簇内的簇成员按最小生成树的连通关系与该簇的簇头定向通信、上报汇总数据；
[0018]B4：如果分簇成员为下级分簇的簇头，则需等待下级分簇成员数据汇总完成，才继续向上级簇头上报数据；否则，直接向簇头上报数据；
[0019]B5：汇聚结点作为最小生成树的根结点汇总所有分簇的上报数据。
[0020]优选的，所述步骤三中权重w＝1/(信号强度*(k1*(1
‑
跳数/跳数上限)+k2*(信号强度/信号强度上限)+k3*结点能量比))，k1+k2+k3＝1；
[0021]其中，跳数上限为步骤二中所有结点记录的跳数的最大值，信号强度上限为步骤二中所有结点记录的信号强度的最大值，结点能量比为结点当前能量与最大能量的比值。
[0022]优选的，所述步骤四应用贪心算法生成最小生成树的具体步骤如下：
[0023]A1建立边的集合用来存放结果，建立结点的集合用来存放结点同时用于标记是否被访问过，建立边的最小堆；
[0024]A2：开始遍历所有结点，如果没有访问，则添加到结点集，然后将其相连的边入堆；
[0025]A3：从堆中取最小的边，然后判断边相连的结点是否被访问过，如果没有，将这个边加入生成树，并标记该结点为访问过；
[0026]A4：将最新访问过的结点相连的边添加到最小堆中；
[0027]A5：循环步骤A3的操作，直到所有的结点遍历完。
[0028]优选的，所述汇聚结点发出的探测帧跳数为1，收到探测帧的结点将探测帧转发，经1次转发的探测帧跳数为2，经n次转发的探测帧跳数为n+1。
[0029]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0030]降低对大规模输入数据的依赖，特别是两两结点间的距离数据。由此带来的好处是，避免了大规模数据获取及预处理所需的时间及费用。本专利技术利用网络结点间通信的跳数信息，是一种更简单直接的“距离”信息。
[0031]为生成高稳定性的网络，一个重要的改进点：基于跳数及信号强度计算权重来度量结点间路由的稳定性(权重越小路由越稳定)，再应用最小生成树方法确保生成的路由具有最小的总权重。
[0032]本专利技术解决了现有两阶分簇路由方法依赖结点本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于最小生成树的无线传感网路由方法，其特征在于，该基于最小生成树的无线传感网路由方法的具体步骤如下：步骤一、汇聚结点广播探测帧，网络其他结点收到探测帧后随机等待一段时间再进行转发；步骤二、接收到探测帧的结点记录探测帧的跳数及信号强度，每个结点最多记录M组探测帧信息；步骤三、对于各结点记录的每组探测帧，计算权重w，基于跳数及信号强度计算权重w来度量结点间路由的稳定性，权重w越小路由越稳定；步骤四、对全部网络结点，应用贪心算法生成最小生成树；步骤五、基于最小生成树划分分簇并生成分簇指向汇聚结点的路由，详细步骤如下：B1：把具有相同父结点的叶子结点划入同一簇，父结点作为簇头；B2：把具有相同父结点的簇头与叶子结点划入同一上级分簇，父结点作为改上级分簇的簇头；B3：同一簇内的簇成员按最小生成树的连通关系与该簇的簇头定向通信、上报汇总数据；B4：如果分簇成员为下级分簇的簇头，则需等待下级分簇成员数据汇总完成，才继续向上级簇头上报数据；否则，直接向簇头上报数据；B5：汇聚结点作为最小生成树的根结点汇总所有分簇的上报数据。2.根据权利要求1所述的一种基于最小生成树的无线传感网路由方法，其特征在于：所述步骤三中权重w＝...

【专利技术属性】
技术研发人员：牛刚刚，赵瓅晔，靳慧康，
申请(专利权)人：非凡士智能科技苏州有限公司，
类型：发明
国别省市：