一种RF能量收集认知无线传感网多跳分簇路由方法技术

本发明专利技术是一种RF能量收集认知无线传感网多跳分簇路由方法，其特点是，所述方法包括：允许每个处于运行状态的认知无线传感网节点执行频谱感知获取授权信道的占用状态信息并选取能量源；每个处于运行状态的认知无线传感网节点使用转换因子为α的内部电路将从所选择的能量源处收集的能量转化为存储在电池中的电能；处于运行状态的认知无线传感网节点通过邻区内的信息交换竞争簇头、选取簇信道并构建簇；再通过簇内通信阶段、簇间通信阶段，传输感知数据和能量。能够构建能量均衡的分簇拓扑和多跳簇间路由，显著提升网络的能量利用率，实现有效的数据传输和网络寿命延长，其方法科学合理，适用性强，效果佳。效果佳。效果佳。

【技术实现步骤摘要】
一种RF能量收集认知无线传感网多跳分簇路由方法


[0001]本专利技术属于无线通信
，是一种RF能量收集认知无线传感网多跳分簇路由方法。

技术介绍

[0002]认知无线传感网(Cognitive Radio Sensor Networks,CRSNs)是认知无线电技术与无线传感器网络的智能联合。通过智能频谱感知与切换，CRSNs节点以一种机会的方式利用授权频谱进行通信，解决由频谱资源短缺引起的干扰和冲突问题。但是，CRSNs节点通常由容量受限的电池供电，它们需要消耗额外的能量执行认知无线电操作，导致能耗问题进一步加剧。RF能量收集和分簇是解决上述问题的代表性方案，其中RF能量收集允许CRSNs节点从专用能量源或周围能量源收集能量以补充有限的电池能量；分簇则通过数据汇聚融合降低节点能耗。因此，基于分簇的RF能量收集CRSNs能够提升能效和谱效，是未来物联网的潜在方案。
[0003]为实现有效的数据传输，分簇路由协议需要将相邻节点划分成簇并选取高质量的簇头和中继节点。然而，现有的CRSNs分簇路由协议通常局限于非能量收集CRSNs，其中节点由容量受限的电池供电，没有额外的能量供应。这些分簇路由协议大致可以分为两类，即集中式协议和分布式协议。集中式协议要求所有CRSNs节点都能通过单跳通信到达汇聚节点，这制约了网络的可扩展性，且易引发单点失效问题。分布式协议通常通过密集的控制信息交换组织簇架构，因此会加剧有限的节点电池能量消耗。为补偿有限的节点能量并延长网络寿命，RF能量收集被引入CRSNs。然而，现有的RF能量收集CRSNs研究主要聚焦在资源分配和管理，没有考虑多跳簇间路由问题。为均衡节点间的剩余能量以提升网络的可持续性，无线携能通信技术被引入用来为高能耗节点提供能量补充。因此，应针对基于无线携能通信技术的RF能量收集认知无线传感网特点，选取合理的簇头和中继节点、构建能量均衡的簇和多跳簇间路由，实现有效的数据传输和网络寿命延长。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种科学合理，适用性强，效果佳，能够构建能量均衡的分簇拓扑和多跳簇间路由，显著提升网络能量利用率的RF能量收集认知无线传感网多跳分簇路由方法。
[0005]解决其技术问题采用的方案是，一种RF能量收集认知无线传感网多跳分簇路由方法，其特征是，所述方法包括的步骤有：
[0006]1)每个处于运行状态，即剩余能量大于0的认知无线传感网节点i执行频谱感知，获取所在位置处各授权信道的占用状态信息；根据自身所处位置、主用户的信道占用情况、汇聚节点及主用户的位置、发送功率计算从主用户和汇聚节点处收集到的能量值，选取合适的能量源；
[0007]2)每个处于运行状态的认知无线传感网节点i使用转换因子为α，0<α<1的内部电
路，将从步骤1)中选取的能量源处接收到的RF信号转换成存储在电池中的电能；
[0008]3)每个处于运行状态的认知无线传感网节点i根据式(1)确定所在层数l(i)，并在通信范围d
n
内向邻居广播自身信息表，同时接收通信范围内同层邻居节点广播的信息表，所述节点广播的信息表包括节点号、所在位置坐标、到汇聚节点的欧氏距离、剩余能量、收集到的能量、授权信道的占用状态、各空闲可用信道的空闲率及处于运行状态的邻居节点数，
[0009][0010]其中，d
i,sink
为节点i到汇聚节点的欧氏距离，表示向上取整操作；
[0011]4)1层认知无线传感网节点成为独立簇头，以最小化网络总能耗，非1层认知无线传感网节点i计算并向邻居广播自身的能量水平函数S_ELF(i)和簇头竞争值S_Compt(i)，
[0012]节点i的能量水平函数S_ELF(i)为式(2)：
[0013][0014]其中，E
residual
(i)为节点i的剩余能量；E
Harv
(i)为节点i从能量源处收集到的能量；Neigh(i)是处于运行状态的邻居节点数；E
maxEH
(j)表示节点i可以从邻居节点j处收集的最大能量，因此，式(2)中为节点i从所有邻居处收集到的最大总能量；L代表数据包长度；E
elec
＝50nJ/bit代表每比特电子电路能耗；E
fs
＝10pJ/bit/m2是自由空间损耗模式下的功率放大器系数；是网络最大层数，R为网络半径，d
n
是节点的通信范围；
[0015]节点i的簇头竞争值S_Compt(i)为式(3)，
[0016][0017]其中，comchannel(i)表示节点i与邻居节点的平均公共信道数，即节点i与所有邻居节点共享空闲可用信道数的均值；
[0018]5)非1层认知无线传感网节点通过邻区内的簇头竞争值比较竞争簇头，具体包括：接收到通信范围d
n
内所有未分簇的同层邻居节点的簇头竞争值后，非1层未分簇认知无线传感网节点i通过簇头竞争值比较判断自己是否能成为簇头，若节点i为通信范围d
n
内簇头竞争值最高的节点，则自动成为簇头，簇头在全网范围内可用的公共控制信道上广播簇头通告，接收到簇头通告的所有同层的未分簇邻居节点退出簇头竞争，重复非1层未分簇认知无线传感网节点i通过簇头竞争值比较判断自己是否能成为簇头，若节点i为通信范围d
n
内簇头竞争值最高的节点，则自动成为簇头，簇头在全网范围内可用的公共控制信道上广播簇头通告，接收到簇头通告的所有同层的未分簇邻居节点退出簇头竞争过程，直到所有非1层节点全部成为簇头或退出竞争为止；
[0019]6)没有成为簇头的非1层节点接收到簇头通告后，计算与每个簇头的距离指数并选择向通信范围d
n
内有公共空闲可用信道且距离指数最小的簇头发送加入请求消息，对应
簇头接收加入请求消息并将其储存在自身的临时簇成员列表中，
[0020]非1层节点i与对应簇头j之间的距离指数为式(4)，
[0021][0022]其中，d
i,CH j
和d
CH j,sink
分别为节点i到簇头j以及簇头j到汇聚节点的欧氏距离；
[0023]7)簇头根据接收到的周围节点的相关信息对其空闲可用信道进行等级划分，选择等级最高的空闲可用信道作为簇信道，其余的空闲可用信道为备用信道，
[0024]簇头j处空闲可用信道c的等级为式(5)，
[0025][0026]其中，Num(CHj)表示簇头j的临时簇成员数，内的项表示拥有空闲可用信道c的临时簇成员数，P
idleratio(CHj)
(c)是簇头j处信道c的空闲率，即信道处于空闲状态的轮数与当前轮数的比值；
[0027]8)簇头在公共控制信道上广播簇信道号，并将簇信道不可用的临时簇成员从存储的临时簇成员列表中删除，其余临时簇成员自动转为最终簇成员；临时簇成员接收到簇头广播本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种RF能量收集认知无线传感网多跳分簇路由方法，其特征是，所述方法包括的步骤有：1)每个处于运行状态，即剩余能量大于0的认知无线传感网节点i执行频谱感知，获取所在位置处各授权信道的占用状态信息；根据自身所处位置、主用户的信道占用情况、汇聚节点及主用户的位置、发送功率计算从主用户和汇聚节点处收集到的能量值，选取合适的能量源；2)每个处于运行状态的认知无线传感网节点i使用转换因子为α，0<α<1的内部电路，将从步骤1)中选取的能量源处接收到的RF信号转换成存储在电池中的电能；3)每个处于运行状态的认知无线传感网节点i根据式(1)确定所在层数l(i)，并在通信范围d
n
内向邻居广播自身信息表，同时接收通信范围内同层邻居节点广播的信息表，所述节点广播的信息表包括节点号、所在位置坐标、到汇聚节点的欧氏距离、剩余能量、收集到的能量、授权信道的占用状态、各空闲可用信道的空闲率及处于运行状态的邻居节点数，其中，d
i,sink
为节点i到汇聚节点的欧氏距离，表示向上取整操作；4)1层认知无线传感网节点成为独立簇头，以最小化网络总能耗，非1层认知无线传感网节点i计算并向邻居广播自身的能量水平函数S_ELF(i)和簇头竞争值S_Compt(i)，节点i的能量水平函数S_ELF(i)为式(2)：其中，E
residual
(i)为节点i的剩余能量；E
Harv
(i)为节点i从能量源处收集到的能量；Neigh(i)是处于运行状态的邻居节点数；E
maxEH
(j)表示节点i可以从邻居节点j处收集的最大能量，因此，式(2)中为节点i从所有邻居处收集到的最大总能量，L代表数据包长度；E
elec
＝50nJ/bit代表每比特电子电路能耗；E
fs
＝10pJ/bit/m2是自由空间损耗模式下的功率放大器系数；是网络最大层数，R为网络半径，d
n
是节点的通信范围；节点i的簇头竞争值S_Compt(i)为式(3)，其中，comchannel(i)表示节点i与邻居节点的平均公共信道数，即节点i与所有邻居节点共享空闲可用信道数的均值；5)非1层认知无线传感网节点通过邻区内的簇头竞争值比较竞争簇头，具体包括：接收到通信范围d
n
内所有未分簇的同层邻居节点的簇头竞争值后，非1层未分簇认知无线传感网节点i通过簇头竞争值比较判断自己是否能成为簇头，若节点i为通信范围d
n
内簇头竞争值最高的节点，则自动成为簇头，簇头在全网范围内可用的公共控制信道上广播簇头通告，
接收到簇头通告的所有同层的未分簇邻居节点退出簇头竞争，重复非1层未分簇认知无线传感网节点i通过簇头竞争值比较判断自己是否能成为簇头，若节点i为通信范围d
n
内簇头竞争值最高的节点，则自动成为簇头，簇头在全网范围内可用的公共控制信道上广播簇头通告，接收到簇头通告的所有同层的未分簇邻居节点退出簇头竞争过程，直到所有非1层节点全部成为簇头或退出竞争为止；6)没有成为簇头的非1层节点接收到簇头通告后，计算与每个簇头的距离指数并选择向通信范围d
n
内有公共空闲可用信道且距离指数最小的簇头发送加入请求消息，对应簇头接收加入请求消息并将其储存在自身的临时簇成员列表中，非1层节点i与对应簇头j之间的距离指数为式(4)，其中，d
i,CHj
和d
CHj,sink
分别为节点i到簇头j以及簇头j到汇聚节点的欧氏距离；7)簇头根据接收到的周围节点的相关信息对其空闲可用信道进行等级划分，选择等级最高的空闲可用信道作为簇信道，其余的空闲可用信道为备用信道，簇头j处空闲可用信道c的等级为式(5)，其中，Num(CHj)表示簇头j的临时簇成员数，内的项表示拥有空闲可用信道c的临时簇成员数，P
idleratio(CHj)
(c)是簇头j处信道c的空闲率，即信道处于空闲状态的轮数与当前轮数的比值；8)簇头在公共控制信道上广播簇信道号，并将簇信道不可用的临时簇成员从存储的临时簇成员列表中删除，其余临时簇成员自动转为最终簇成员；临时簇成员接收到簇头广播的簇信道号，若该信道不可用，则临时簇成员恢复未分簇节点身份，继续从可接收到簇信道号的簇头中选择距离指数最小且簇信道空闲可用的簇头，向其发送加入请求并自动成为该簇的最终簇成员；没有接收到任何簇头广播的簇信道信息的节点自动成为独立簇头；9)非1层簇头作为源节点从候选中继节点集合中选取中继竞争值最大的节点作为下一跳，所述候选中继节点集合由满足
①‑③
条件的节点组成：
①
在源节点的通信范围d
n
内，即与源节点的欧氏距离不大于d
n
；
②
与源节点共享至少一条空闲可用信道；
③
相比源节点距离汇聚节点更近；候选中继节点...

【专利技术属性】
技术研发人员：王继红，
申请(专利权)人：东北电力大学，
类型：发明
国别省市：