一种基于能量采集的概率式无线传感器网络路由方法

摘要

本发明是一种基于能量采集的概率式无线传感器网络路由方法，由网络初始化、轮簇过程、节点维护和异常处理三个部分组成。在轮簇阶段，算法在考虑能量高效的同时引入能量采集因素，使得能量采集速率和剩余能量较大的节点成有较大的几率当选簇头，并在簇头的路由过程中采用新颖的概率式路由算法进行簇间的数据传输。与以尽量减少能耗为目的的传统分簇路由不同，该方法旨在尽量增大节点采集到的能量的利用率，并在簇头数据传输过程中引入新型的概率式簇头路由，在有效利用节点采集到的能量的同时均衡了簇头节点的能耗，使得靠近汇聚节点的簇头节点不会因为能耗过大而过早转换到睡眠状态，延长了节点在网络中的工作时间，提升了系统的整体性能。

主权项

1. 一种基于能量采集的概率式无线传感器网络路由方法，其特征在于：在考虑节点的能量采集因素的前提下，综合以往的经典路由研究方法，使得网络中的分簇较为均匀且保证了簇头节点在规定功率范围内的连通度；当节点处在多个簇的覆盖范围内时，将通信代价cost设置为簇头节点的能量值、簇头节点的度以及簇内平均最小通信功耗AMRP的综合权值，在节省簇内节点能量的同时使得能量采集速率和剩余能量值的簇头分担更多的簇内节点；簇首在对簇内节点进行时分多址TDMA时隙分配时根据节点的能量权值的大小依次分配，使得能量权值较大的节点优先传输数据，更进一步的利用了能量采集速率型无线传感器网络的特征；簇间路由过程中EH-EBPR采用概率式路由方法，有效的均衡了网络中簇头的能耗，延长了节点处在工作状态的时间，能量采集的无线传感器网络分簇路由方法包括以下几个过程：a. 网络初始化阶段：sink节点即汇聚节点在整个网络中发送广播消息，所有节点根据接收到的信号强度RSSI计算出其到sink节点的近似距离并放在缓存中；b. 轮簇过程：节点根据自身的剩余能量和每一轮的能量采集速率每T_round时间进行一次轮簇过程，节点根据自身的剩余能量和能量采集速率值竞争簇头，每一轮包括成簇阶段和簇间路由阶段；b1. 成簇阶段：节点根据自身剩余能量和能量采集速率进行分簇和竞选簇头，具体过程由三个部分组成：b11. 初始化网络簇头比例C_pr：每个节点根据自身剩余能量和能量采集速率计算初始当选簇头概率CH_pr，在给定的簇内发射功率P_intra覆盖范围内，每个节点根据自身和邻节点情况计算自身的通信代价cost值并将其发送到邻节点；b12. 迭代过程：候选簇头集合为空的节点以当前迭代步数的CH_pr概率值竞选簇头，若候选簇头集合S_CH不为空则节点选取cost值最小的节点作为其暂时簇头；在每一步迭代结束后节点都将自身的CH_pr值乘以2，当CH_pr=1时节点的迭代过程结束；成为簇头的节点会向邻居节点广播相应的状态消息，当节点CH_pr<1时节点处在暂时簇头状态，当CH_pr=1时节点为最终簇头状态；处在暂时状态的簇头节点若发现具有更小通信代价的簇头节点时会改变状态成为普通节点；b13. 截止阶段：节点选取处在最终簇头状态中cost值最小的节点作为最终簇头，若没有收到最终簇头状态的节点的广播消息则申明自己成为最终簇头并广播消息，簇首节点根据簇内节点的能量综合权值，即()为每个簇内节点分配数据传输时隙；b2.簇间路由阶段：簇内节点进给定的时隙内苏醒将数据发送至簇首，在其他时间内处在睡眠状态，簇首接收到所有簇内节点的信息后进行数据聚合以消除冗余，并将数据通过单跳或者多跳方式传送至sink节点，簇间路由包括以下三种情况:b21.若簇头节点到sink节点距离小于等于常数值S，簇首直接将数据发送至sink节点；b22. 若簇头节点到sink节点距离大于S，节点产生一个0到1之间的随机数Random（0,1），若Random（0,1）大于路由系数R_co，则簇头节点的数据也直接单跳至sink节点；b23. 若簇头节点之sink距离大于S且Random（0,1）小于等于路由系数R_co，簇首选取邻簇头节点中簇间路由代价C_cost值最小的作为下一跳；下一跳节点判断其到sink节点的距离，同样通过上述的方式进行路由判决；节点维护与异常处理：若簇头节点的能量在数据传输阶段耗尽，则簇首将广播Cluster-disband簇解散消息到簇内节点解散该簇并进入睡眠状态，且不再响应他簇头节点的路由请求消息，簇内节点将等待下一次选簇过程的到来；若能量耗尽的是簇内节点，节点发送Energy-exhaust能量耗尽消息给簇头节点并进入睡眠状态进行能量补充，一旦睡眠状态节点的剩余能量超过最大储能值的一定水平，则将转化为工作状态。