一种能量高效的无线传感器网络路由方法

摘要

本发明公开一种能量高效的无线传感器网络路由方法，适合于分层传感器网络结构。此路由方法由初始化、簇建立、簇间路由和路由维护组成。协议的初始化过程使得Sink节点获得传感器网络的拓扑结构和网络平均能量，每个节点获取自己到Sink节点的跳数；簇建立阶段使用重复分割法划分传感器网络簇，所划分的簇均匀，且簇头节点由剩余能量较高的节点承担；簇间路由使用蚁群算法，依据链路信息素浓度来确定使用此该链路发送信息的概率，链路信息素浓度随着链路上信息传输而增加，随着时间推移而减少；路由维护阶段负责更新链路信息素浓度，并使剩余能量高的簇内节点轮流担当簇头。此路由方法能够减少网络总能量消耗，平衡节点能量消耗，延长网络生命周期。

主权项

1、一种能量高效的无线传感器网络路由方法，针对分层分簇的传感器网络体系结构，采用蚁群算法来实现传感器网络路由协议，其特征是：根据剩余能量确定节点是否具有竞选簇头的资格；根据节点地理位置，利用重复分割法进行簇划分，保证各个簇地理位置均匀，簇内节点数相近；簇成员节点通过单跳的方式将信息传输给簇头；采用蚁群算法，根据各个链路上的信息素浓度选择路由链路，进行簇间路由，将各个簇的数据传送到Sink节点；随着网络的运行，周期性计算链路的信息素浓度，并依据此信息更新节点路由表，维护路由信息；基于蚁群算法的无线传感器网络路由方法的具体步骤包括：协议的初始化、簇的建立、簇间路由和路由维护。(1)协议初始化：通过洪泛的方式，使得Sink节点获取网络拓扑和网络中各个节点剩余能量信息，传感器节点获取自己距离Sink节点的跳数和邻居节点信息，在协议初始化之后，Sink节点能够计算网络的总剩余能量和网络平均能量；每个传感器节点知道自己的邻居节点信息以及各个邻居节点到Sink节点的跳数，为簇建立创造条件；(2)簇的建立：根据预先设定的簇头数，使用重复分割法划分出传感器网络簇，保证剩余能量高于网络平均能量的传感器节点成为簇头，完成成簇工作，并使簇头地理位置分布均匀，每个簇内节点数基本相同以均衡网络节点负载；(3)簇间路由：采用蚁群算法进行簇间路由，包括形成簇头节点的路由表、计算链路信息素浓度和选择信息传输链路；1)形成簇头节点的路由表：每个被选为簇头的节点判断自身路由表中是否存在到所有邻居簇头的路由记录，如果有，重新计算信息素浓度，使用新计算的信息素浓度、邻居节点剩余能量和距离Sink节点的跳数，更新此路由表记录；如果没有则创建新的路由表记录，并在此路由表记录中，填写邻居簇头节点标识、邻居节点剩余能量，链路信息素浓度和距离Sink节点的跳数；2)信息素浓度计算：链路的信息素浓度随着链路上传输信息而增多，路径上的信息素会随着时间的推移而挥发，簇头节点i和j之间的链路信息素浓度τij的计算方法是τij←(1-ρ)τij+a×energyα+lβ，式中ρ表示信息素的挥发量，α表示节点剩余能量在信息素中所占的比重，l是两簇头间的距离，β表示节点间距离在信息素中所占的比重，计算式的第一部分是一段时间内的信息素的挥发；第二部分是两簇头间的距离以及相邻簇头的剩余能量来计算簇头间的信息素浓度；3)选择信息传输链路：当有数据需要发送时，通过各个链路的信息素浓度计算选择各个链路的概率，依据此概率选择相应的链路进行数据传输；信息素浓度高的链路被选择的概率较大；(4)路由维护：采用蚁群算法进行路由维护，包括链路的信息素浓度的更新和簇头更换，根据链路传输数据情况和时间的推移，周期性更新路由表中各条链路的信息素浓度，进行路由表更新和维护；采用轮换的方式让簇内最大能量节点轮流担任簇头，并将被替换簇头的路由表复制到新的簇头。