本發(fā)明涉及一種無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)分簇路由選擇方法，屬于無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor and Actor Networks，WSANs)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSNs)的基礎(chǔ)上引入若干執(zhí)行器節(jié)點，形成復雜的分布式傳感與控制系統(tǒng)。WSANs具有易部署、低成本、低能耗、實時性強、容錯性高以及靈活性強等特點，常用于環(huán)境監(jiān)控、智能家居、智慧城市等場景。WSANs最大的特點和優(yōu)勢在于網(wǎng)絡(luò)中的執(zhí)行器節(jié)點能夠作用于物理環(huán)境，從而改變物理世界以達到交互的目的。

WSAN中，通常將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點劃分成若干簇，達到減少無線網(wǎng)絡(luò)的通信損耗和資源的重復浪費的目的。通常情況下，簇頭由各傳感器節(jié)點輪流充當，若當前的簇頭節(jié)點不再滿足充當簇頭的條件時，需要對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重新進行分簇。但是，節(jié)點退出或加入導致網(wǎng)絡(luò)中拓撲結(jié)構(gòu)一直變化，多次分簇過程導致簇頭與簇成員多次發(fā)生變化，不僅不利于整個網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，而且會增加能量的損耗，帶來時延，又會影響正常的數(shù)據(jù)采集。

WSAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程主要包括三個方面:傳感器節(jié)點至簇頭節(jié)點、簇頭節(jié)點至匯聚節(jié)點、匯聚節(jié)點至執(zhí)行器節(jié)點。其中，匯聚節(jié)點將任務(wù)分配方案直接發(fā)送至執(zhí)行器節(jié)點。由源節(jié)點發(fā)送至目標節(jié)點的過程中，可能以單跳或者多跳的方式進行傳遞。數(shù)據(jù)傳輸過程中，通過節(jié)點間的相互協(xié)同可增大源節(jié)點到目標節(jié)點間數(shù)據(jù)包投遞率，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性和可靠性。因此，需建立以能耗，時延和數(shù)據(jù)包投遞率為約束條件的路由節(jié)點選擇機制，整體提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅堋９?jié)點間數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芎臎Q定著路由選擇的能量成本；時延的大小直接影響著數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性；包投遞率的大小反映著數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。本專利將時延與能耗作為路由節(jié)點選擇的評判指標，同時將數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌哆f率作為路由節(jié)點選擇依據(jù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)在WSAN節(jié)點間快速傳輸信息的方法。

技術(shù)方案：為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)分簇路由選擇方法，包括如下步驟：

(1)基于固定分簇的分簇方式選擇簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點建簇并邀請節(jié)點入簇；

(2)當有信息需要傳輸時，需要傳輸信息的源節(jié)點基于角度的中繼機制選擇中間路由節(jié)點，形成由源節(jié)點至目的節(jié)點的至少一條傳輸路徑；

(3)在源節(jié)點至目的節(jié)點形成多條路徑的情況下，根據(jù)路徑代價為每條路徑配置優(yōu)先級參數(shù)初始值，并根據(jù)路徑的數(shù)據(jù)包投遞率和路徑代價，動態(tài)更新所有路徑的優(yōu)先級參數(shù)值，選出數(shù)據(jù)包投遞率大于閾值且優(yōu)先級參數(shù)值最大的路徑為傳輸路徑。

有益效果：本發(fā)明提供的無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)分簇路由選擇方法，一方面，基于固定分簇的分簇方式，減少多次成簇造成的時延和網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定，提高了信息傳輸?shù)膶崟r性；另一方面，通過基于角度的路由節(jié)點選擇，減少被選擇節(jié)點的個數(shù)，減少路由節(jié)點選擇時間；另外，通過基于動態(tài)優(yōu)先級參數(shù)的路徑選擇，減少由于數(shù)據(jù)包投遞率過低造成的數(shù)據(jù)重傳引起的時延，進一步提高了信息傳輸?shù)膶崟r性和可靠性。

附圖說明

為了使本發(fā)明的內(nèi)容更容易被清楚的理解，結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細的說明，其中：

圖1是本發(fā)明的總體流程圖；

圖2本發(fā)明的簇頭選擇流程圖；

圖3是本發(fā)明的建簇流程圖；

圖4是本發(fā)明的基于角度的節(jié)點選擇示意圖；

圖5是本發(fā)明的基于動態(tài)優(yōu)先級參數(shù)路徑選擇過程示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例和附圖對本發(fā)明作進一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護范圍。

如圖1所示，本發(fā)明實施例公開的一種無線傳感器執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)分簇路由選擇方法，主要包括如下步驟：

步驟1：基于固定分簇選擇簇頭節(jié)點；簇頭選擇流程圖如圖2所示。

步驟2：簇頭節(jié)點進行建簇，邀請節(jié)點入簇；建簇流程圖如圖3所示。

步驟3：判斷是否有信息需要傳輸，若有，則轉(zhuǎn)步驟4；反之，則返回步驟3繼續(xù)判斷；

步驟4：需要傳輸信息的源節(jié)點基于角度的中繼機制選擇中間路由節(jié)點，形成由源節(jié)點至目的節(jié)點的傳輸路徑。在中繼區(qū)域中可能存在多個中間路由節(jié)點，形成多條路徑；基于角度的節(jié)點選擇示意圖如圖4所示。

步驟5：基于動態(tài)優(yōu)先級參數(shù)，為多條路徑分配不同的優(yōu)先級參數(shù)值，并根據(jù)路徑的數(shù)據(jù)包投遞率，時延和能耗，動態(tài)更新所有路徑的優(yōu)先級參數(shù)，選出數(shù)據(jù)包投遞率大于閾值且優(yōu)先級參數(shù)最大的路徑為傳輸路徑。

具體的，基于動態(tài)優(yōu)先級參數(shù)路徑選擇過程如圖5所示，主要包括如下步驟：

a)首先為每條路徑設(shè)置一個優(yōu)先級參數(shù)P，第i條路徑的參數(shù)P_i的初始值為：

其中，M_j為基于角度的區(qū)域中繼機制中選擇出的第j條路徑代價，n為所有路徑的個數(shù)。根據(jù)能耗與時延模型，路徑代價M_i作為路徑選擇的代價指標：M_i＝T*E其中，T表示由源節(jié)點到目標節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸過程中的時延，E為數(shù)據(jù)傳輸過程中的能耗，i為路徑編號，通過能耗與時延來綜合評價路徑代價。

b)根據(jù)路徑代價從小到大順序，依次進行數(shù)據(jù)傳輸，并且統(tǒng)計傳輸過程中數(shù)據(jù)包投遞率γ。根據(jù)每條路徑優(yōu)先級參數(shù)的大小，將路徑的優(yōu)先級參數(shù)P_i作為數(shù)據(jù)傳輸中選擇對應(yīng)路徑進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)母怕省?/p>

c)傳輸過程統(tǒng)計結(jié)束后，對各路徑的優(yōu)先級參數(shù)P_i進行更新。增加數(shù)據(jù)包投遞率大于閾值λ(例如90％)的路徑的優(yōu)先級，減小數(shù)據(jù)包投遞率小于閾值λ路徑的優(yōu)先級，從而使數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量高的路徑被選擇的概率增大，第i條路徑優(yōu)先級更新過程如下式所示：

P_i＝P_i+ΔP

其中，ΔP＝P_i(γ_i-λ) (2)

d)當優(yōu)先級參數(shù)更新完畢后，對所有路徑的優(yōu)先級進行歸一化，得到：

其中，k為優(yōu)先級參數(shù)增大的節(jié)點個數(shù)。

e)此后，根據(jù)更新后的優(yōu)先級，選擇數(shù)據(jù)包投遞率大于閾值λ且優(yōu)先級參數(shù)最大的路徑進行數(shù)據(jù)的傳輸。

如圖2所示，是本實施例的簇頭選擇流程示意圖，包括：

步驟1：匯聚節(jié)點(sink)發(fā)出n條建簇消息；

步驟2：判斷匯聚節(jié)點發(fā)出建簇消息的次數(shù)是否超過3次，若是，則返回錯誤報告，無法建簇；反之，則轉(zhuǎn)步驟3；

步驟3：傳感器節(jié)點(sensor)收到建簇消息后向匯聚節(jié)點作出應(yīng)答；

步驟4：判斷簇頭選擇時間是否超過一定時間T0，若是，則轉(zhuǎn)步驟5；反之，則返回步驟3，等待傳感器節(jié)點作出應(yīng)答；

步驟5：統(tǒng)計匯聚節(jié)點接收到傳感器節(jié)點應(yīng)答消息的個數(shù)，并計算二數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)寶投遞率；

步驟6：判斷數(shù)據(jù)包投遞率最大的傳感器節(jié)點的個數(shù)是否為一個，若是則轉(zhuǎn)步驟7；反之，則轉(zhuǎn)步驟8；

步驟7：選擇數(shù)據(jù)包投遞率最大的傳感器節(jié)點作為簇頭節(jié)點(cluster)；

步驟8：在數(shù)據(jù)包投遞率最大的多個傳感器節(jié)點間隨機選擇一個節(jié)點作為簇頭節(jié)點；

步驟9：判斷所有區(qū)域是否均選出簇頭節(jié)點，若是，則結(jié)束簇頭選舉過程；反之。則返回步驟1，匯聚節(jié)點重新發(fā)送建簇消息。

如圖3所示，是本實施例的建簇流程圖，包括：

步驟1：簇頭節(jié)點向其周圍的傳感器節(jié)點發(fā)送入簇邀請；

步驟2：判斷傳感器節(jié)點是否在規(guī)定時間T1時間內(nèi)收到入簇邀請，若是，則轉(zhuǎn)步驟3；反之，則轉(zhuǎn)步驟8；

步驟3：傳感器節(jié)點應(yīng)答入簇邀請，并反饋至簇頭節(jié)點；

步驟4：判斷傳感器節(jié)點與簇頭節(jié)點是否屬于同一區(qū)域，若是，則轉(zhuǎn)步驟與5；反之，則轉(zhuǎn)步驟7；

步驟5：簇頭同意該傳感器節(jié)點加入自身所在簇，并將傳感器節(jié)點的信息加入簇成員信息表中，轉(zhuǎn)入步驟6；

步驟6：終止建簇過程，進入工作階段；

步驟7：簇頭節(jié)點拒絕該傳感器接單加入自身所在簇，轉(zhuǎn)入步驟6；

步驟8：判斷簇頭節(jié)點發(fā)送入簇邀請是否超過3次，若是，則轉(zhuǎn)步驟9；反之，則返回步驟1，簇頭節(jié)點重新發(fā)送入簇邀請；

步驟9：簇頭節(jié)點舍棄未應(yīng)答的傳感器節(jié)點，轉(zhuǎn)入步驟6；

如圖4所示，是本實施例的基于角度的節(jié)點選擇示意圖，中間節(jié)點的選擇過程如下：

當源節(jié)點需要將信息發(fā)送至目標節(jié)點，則以源節(jié)點P和目標節(jié)點為端點，以二者連接線為角平分線，以源節(jié)點P的最大傳輸距離為半徑，角度為w的扇形區(qū)域為源節(jié)點P的中繼區(qū)域，在區(qū)域內(nèi)選擇下一跳節(jié)點，避免更多的節(jié)點參與中轉(zhuǎn)路由節(jié)點的選擇過程。以節(jié)點P為初始點，在P的中繼區(qū)域內(nèi)找到滿足條件的節(jié)點Q后，以節(jié)點Q為新的初始點，重復以上操作，構(gòu)建節(jié)點Q的中繼區(qū)域并選取下一跳節(jié)點，直到信息傳遞至目標節(jié)點。這樣，在源節(jié)點與目標節(jié)點之間便形成一條傳輸路徑s1。中繼區(qū)域中可能存在多個可選擇的節(jié)點從而產(chǎn)生多條傳輸路徑，源節(jié)點至目標節(jié)點間所有路徑的集合構(gòu)成路徑集S＝{s1，s2，…，sn}。