一種基于信道接入異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分簇路由方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于信道接入異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分簇路由方法，包括給出信道接入異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義，簇內(nèi)節(jié)點采用CRT?UI協(xié)議序列的通信方式，與時分復(fù)用的通信方式不同的是采用CRT?UI協(xié)議序列控制的通信方式能夠在不需要節(jié)點時間嚴格同步的前提下保證節(jié)點數(shù)據(jù)100％地在固定時延內(nèi)被成功發(fā)送。在簇內(nèi)節(jié)點采用CRT?UI協(xié)議序列的通信方式條件下，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)每一輪的能量消耗計算出最佳簇頭個數(shù)及節(jié)點當選簇頭的最佳概率。本發(fā)明可以使網(wǎng)絡(luò)每一輪能量消耗最少，從而延長網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定期并且提高網(wǎng)絡(luò)吞吐率。
【專利說明】
-種基于信道接入異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分簇路由方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種基于信道接入異構(gòu)無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)的分簇路由方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著物聯(lián)網(wǎng)的日益興起，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于軍事、環(huán)境監(jiān)測、智能家居、 城市交通、空間探索和倉庫管理等領(lǐng)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為當今信息領(lǐng)域的研究熱點，設(shè) 及多個學(xué)科，有許多關(guān)鍵技術(shù)有待發(fā)現(xiàn)和研究，其中網(wǎng)絡(luò)拓撲控制具有特別意義，通過拓撲 巧制自動形成的良好的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，能夠大幅提局路由協(xié)議和MAC協(xié)議的效率。
[0003] LEACH算法是同構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中一種經(jīng)典的層次性分簇路由算法，它的執(zhí)行 過程是周期性的，每輪循環(huán)分為簇的建立階段和穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信階段。在簇的建立階段，相 鄰節(jié)點動態(tài)地形成簇，隨機產(chǎn)生簇頭;在數(shù)據(jù)通信階段，簇內(nèi)節(jié)點把數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭，簇頭 進行數(shù)據(jù)融合并把結(jié)果發(fā)送給匯聚節(jié)點。由于簇頭需要完成數(shù)據(jù)融合、與匯聚節(jié)點通信等 工作，所W能量消耗大。LEACH算法能夠保證各節(jié)點等概率地擔任簇頭，使得網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點 相對均衡地消耗能量。
[0004] Mass巧和Mathys于1985年提出了一種無反饋沖突信道模型，同時設(shè)計了能達到此 種信道容量的可信賴信道接入機制：協(xié)議序列。協(xié)議序列是一種確定性的周期性二進制序 列，在該機制下，每個用戶根據(jù)分配的協(xié)議序列依次讀取序列值，如果該值為"1"，節(jié)點發(fā)送 數(shù)據(jù)，否則不發(fā)送數(shù)據(jù)。與TDMA相比，協(xié)議序列不要求網(wǎng)絡(luò)用戶間嚴格的時間同步;與ALOHA 等隨機接入技術(shù)相比，協(xié)議序列能提供短期性能穩(wěn)定性和公平性，并且能100%地確保數(shù)據(jù) 在固定時延內(nèi)被成功發(fā)送;另外與基于CSMA的競爭型信道接入?yún)f(xié)議相比，協(xié)議序列機制不 需要信道偵聽和退避，從而大大降低了能量消耗?；赪上優(yōu)點，協(xié)議序列在近年來成為國 內(nèi)外學(xué)者的研究熱點，并被廣泛應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、移動自組織網(wǎng)絡(luò)及車載自組織網(wǎng) 絡(luò)。
[0005] W往基于同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)及各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的分簇路由算法研究均假設(shè)簇內(nèi)通信和簇頭 與基站之間的通信不存在沖突和重傳，及假設(shè)任意網(wǎng)絡(luò)節(jié)點只需在每一輪發(fā)送一次數(shù)據(jù)即 可成功被接收。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點眾多且存在信道傳播延遲，用TDMA進行簇內(nèi)通信 所要求的嚴格時間同步是不易被實現(xiàn)的；同樣由于CDMA對節(jié)點硬件要求較高及FDMA需要耗 費較大網(wǎng)絡(luò)資源，因此也不合適被應(yīng)用到簇內(nèi)通信。因此假設(shè)簇內(nèi)通信不存在沖突是顯然 不現(xiàn)實的。同時，考慮到隨機接入及競爭接入無法滿足時限數(shù)據(jù)服務(wù)的系統(tǒng)要求，因此采用 CRT-UI序列進行簇內(nèi)通信。
[0006] 考慮到信道接入異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中簇內(nèi)節(jié)點采用CRT-UI協(xié)議序列的通信方式，簇內(nèi)節(jié)點 每一輪需要發(fā)送n次，因此每一輪網(wǎng)絡(luò)能量消耗發(fā)生變化，需要重新計算。所W ,LEACH算法 的選舉機制并不適用于功率異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。因此，需要一種新的分簇路由方法來應(yīng)對信道接入 異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)帶來的變化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明旨在提供一種基于信道接入異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分簇路由方法，W延長 網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定期并且提高網(wǎng)絡(luò)吞吐率。
[0008] 本發(fā)明提供了一種基于信道接入異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分簇路由方法，包括傳感 器節(jié)點、基站節(jié)點W及所述傳感器節(jié)點、基站節(jié)點所在的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，所述傳感器節(jié)點與基站 節(jié)點之間的通信過程按輪次周期性地依次進行，所述通信過程分為簇的建立過程和穩(wěn)定運 行階段，所述簇的建立過程分為簇頭選舉和確定分簇表，根據(jù)所述網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中每一輪的能 量消耗計算出最佳簇頭個數(shù)及最佳簇頭當選概率，所述簇頭選舉確定每一輪的簇頭節(jié)點及 與簇內(nèi)其它節(jié)點，還包括所述簇頭節(jié)點與簇內(nèi)其它節(jié)點間采用CRT-UI協(xié)議序列控制通信。
[0009] 進一步地，所述最佳簇頭個數(shù)的計算過程包括:S11.由簇頭個數(shù)k計算每一輪中節(jié) 點充當簇頭節(jié)點或非簇頭節(jié)點的能量消耗，將所述能量消耗相加得到每一輪網(wǎng)絡(luò)能量總消 耗;S12.對每一輪網(wǎng)絡(luò)能量總消耗求導(dǎo)，計算出最佳簇頭個數(shù)knpt。
[0010] 進一步地，簇內(nèi)成員需要在每一輪發(fā)送n次數(shù)據(jù)，其中n是簇內(nèi)節(jié)點個數(shù)。
[0011] 進一步地，所述簇頭節(jié)點在一個序列周期內(nèi)始終保持偵聽。
[0012] 進一步地，所述最佳簇頭個數(shù)kDpt是預(yù)先設(shè)定的，在算法運行期間保持不變。
[0013] 進一步地，所述簇內(nèi)節(jié)點根據(jù)分配的協(xié)議序列依次讀取序列值，如果該值為"1"， 節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，否則不發(fā)送數(shù)據(jù)。
[0014] 進一步地，所述簇頭節(jié)點與基站節(jié)點之間采用抑MA或CDMA進行倍迸按入。
[0015] 進一步地，所述CRT-UI協(xié)議序列的構(gòu)造方法如下：S21.假定f
衰示 到盈上的映射，其中f(a): = (a mod r，a mod q)，mod是求模運算符；S22.當i = 2，-。，1(，令
；當 i = l 時，令
;對I/ i求逆，可W得到CRT-UI序列的特征集：Ii = r 1 (I'i)，i = l，2，...，K。
[0016] 通過本發(fā)明的方法，延長網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定期并且提高網(wǎng)絡(luò)吞吐率。
[0017] 本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，運些將從下面的描述中變 得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。
【附圖說明】
[0018] 圖1示出了本發(fā)明設(shè)計流程圖。
[0019] 圖2示出了 LEACH算法和本發(fā)明方法的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定期隨網(wǎng)絡(luò)運行輪次變化曲線。
[0020] 圖3示出了 LEACH算法和本發(fā)明方法的網(wǎng)絡(luò)吞吐率隨網(wǎng)絡(luò)運行輪次變化曲線。
【具體實施方式】
[0021] 下面結(jié)合附圖和具體實施例，進一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解運些實施例僅用于說明 本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各 種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0022] -種基于信道接入異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分簇路由方法，包括傳感器節(jié)點、基站 節(jié)點W及所述傳感器節(jié)點、基站節(jié)點所在的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，所述傳感器節(jié)點與基站節(jié)點之間的 通信過程按輪次周期性地依次進行，所述通信過程分為簇的建立過程和穩(wěn)定運行階段，所 述簇的建立過程分為簇頭選舉和確定分簇表，根據(jù)所述網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中每一輪的能量消耗計算 出最佳簇頭個數(shù)及最佳簇頭當選概率，所述簇頭選舉確定每一輪的簇頭節(jié)點及與簇內(nèi)其它 節(jié)點，還包括所述簇頭節(jié)點與簇內(nèi)其它節(jié)點間采用CRT-UI協(xié)議序列控制通信。
[0023] 作為優(yōu)選方案，所述最佳簇頭個數(shù)的計算過程包括:S11.由簇頭個數(shù)k計算每一輪 中節(jié)點充當簇頭節(jié)點或非簇頭節(jié)點的能量消耗，將所述能量消耗相加得到每一輪網(wǎng)絡(luò)能量 總消耗;S12.對每一輪網(wǎng)絡(luò)能量總消耗求導(dǎo)，計算出最佳簇頭個數(shù)knpt。
[0024] 作為優(yōu)選方案，簇內(nèi)成員需要在每一輪發(fā)送n次數(shù)據(jù)，其中n是簇內(nèi)節(jié)點個數(shù)。
[0025] 作為優(yōu)選方案，所述簇頭節(jié)點在一個序列周期內(nèi)始終保持偵聽。
[0026] 作為優(yōu)選方案，所述最佳簇頭個數(shù)kDpt是預(yù)先設(shè)定的，在算法運行期間保持不變。
[0027] 作為優(yōu)選方案，所述簇內(nèi)節(jié)點根據(jù)分配的協(xié)議序列依次讀取序列值，如果該值為 "r，節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，否則不發(fā)送數(shù)據(jù)。
[0028] 作為優(yōu)選方案，所述簇頭節(jié)點與基站節(jié)點之間采用FDMA或CDMA進行信道接入。
[0029] 作為優(yōu)選方案，所述CRT-UI協(xié)議序列的構(gòu)造方法如下：S21.假定f;
表示逐W到上的映射，其中f(a): = (a mod r，a mod q)，mod是求模運算符；S22.當i =2，…，K，令
；當i = 1時，令
對I^i求逆，可W得到CRT-UI序列的特征集：Ii = f-i (I'i)，i = l，2，...，K。
[0030] 圖I示出本發(fā)明設(shè)計流程圖。與原LEACH算法相比，本發(fā)明采用CRT-UI協(xié)議序列的 簇內(nèi)通信方式節(jié)點不需要嚴格時間同步，并且簇內(nèi)節(jié)點數(shù)據(jù)能100%地確保在固定時延內(nèi) 被成功發(fā)送。因為簇內(nèi)節(jié)點每一輪需要發(fā)送n次數(shù)據(jù)，因此每一輪網(wǎng)絡(luò)能量消耗發(fā)生變化， 需要重新計算。進而求出最佳簇頭個數(shù)及最佳節(jié)點當選簇頭概率。
[0031] 本發(fā)明采用matlab對LEACH算法和本發(fā)明方法進行實施。網(wǎng)絡(luò)中部署有100個節(jié) 點，節(jié)點隨機分布在100 X 100的矩形區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)中有唯一的基站，位于網(wǎng)絡(luò)區(qū)域外，位置為 50X300。每個節(jié)點擁有唯一的標識符。節(jié)點隨機部署，但一經(jīng)部署就位置確定，且不可移 動。節(jié)點死亡的唯一原因是能量耗盡，不存在其它原因。節(jié)點配置相同的硬件，存儲、計算、 通信能力相同。節(jié)點都擁有數(shù)據(jù)融合能力，并且都能與基站節(jié)點通信?；竟?jié)點能量無窮大 (相對于區(qū)域內(nèi)節(jié)點）。節(jié)點部署后不需要維護。節(jié)點擁有的初始能量相同。無線電信號在空 間各個方向上消耗能量相同，并且信道對稱。
[0032] 圖2中反映了 LEACH算法和本發(fā)明方法的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定期隨網(wǎng)絡(luò)運行輪次的變化曲線。 從圖中可W看出本發(fā)明方法的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定期比LEACH算法的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定期提高了約476%，性能 提升明顯。
[0033] 圖3中反映了 LEACH算法和本發(fā)明方法的網(wǎng)絡(luò)吞吐率隨網(wǎng)絡(luò)運行輪次的變化曲線。 從圖中可W看出本發(fā)明方法的網(wǎng)絡(luò)吞吐率在整個網(wǎng)絡(luò)生命周期里都比LEACH算法的網(wǎng)絡(luò)吞 吐率高。
【主權(quán)項】
1. 一種基于信道接入異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分簇路由方法，包括傳感器節(jié)點、基站節(jié) 點以及所述傳感器節(jié)點、基站節(jié)點所在的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，所述傳感器節(jié)點與基站節(jié)點之間的通 信過程按輪次周期性地依次進行，所述通信過程分為簇的建立過程和穩(wěn)定運行階段，所述 簇的建立過程分為簇頭選舉和確定分簇表，根據(jù)所述網(wǎng)絡(luò)區(qū)域中每一輪的能量消耗計算出 最佳簇頭個數(shù)及最佳簇頭當選概率，所述簇頭選舉確定每一輪的簇頭節(jié)點及簇內(nèi)其它節(jié) 點，其特征在于:所述簇頭節(jié)點與簇內(nèi)其它節(jié)點間采用CRT-υι協(xié)議序列控制通信。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于信道接入異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分簇路由方法，其 特征在于:所述最佳簇頭個數(shù)的計算過程包括：511. 由簇頭個數(shù)k計算每一輪中節(jié)點充當簇頭節(jié)點或非簇頭節(jié)點的能量消耗，將所述 能量消耗相加得到每一輪網(wǎng)絡(luò)能量總消耗；512. 對每一輪網(wǎng)絡(luò)能量總消耗求導(dǎo)，計算出最佳簇頭個數(shù)kc>pt。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于信道接入異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分簇路由方法，其 特征在于:簇內(nèi)成員需要在每一輪發(fā)送η次數(shù)據(jù)，其中η是簇內(nèi)節(jié)點個數(shù)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于信道接入異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分簇路由方法，其 特征在于:所述簇頭節(jié)點在一個序列周期內(nèi)始終保持偵聽。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于信道接入異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分簇路由方法，其 特征在于:所述最佳簇頭個數(shù)kc>pt是預(yù)先設(shè)定的，在算法運行期間保持不變。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于信道接入異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分簇路由方法，其 特征在于:所述簇內(nèi)節(jié)點根據(jù)分配的協(xié)議序列依次讀取序列值，如果該值為"1"，節(jié)點發(fā)送 數(shù)據(jù)，否則不發(fā)送數(shù)據(jù)。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于信道接入異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分簇路由方法，其 特征在于:所述簇頭節(jié)點與基站節(jié)點之間采用FDMA或CDMA進行信道接入。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于信道接入異構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分簇路由方法，其 特征在于:所述CRT-UI協(xié)議序列的構(gòu)造方法如下：321.假定/:黑,.9-^1@名.9表示&到4@:%上的映射，其中辦）：=(&111〇(11'，&1]1〇(1 q)，mod是求模運算符； S22.當 i = 2，···，K，令 I, = ·|(?' mod .r) e Z,十 Z(, : j. = 0,1-…-人_ - 1 j ;當 i = 1 時，令 1;' = {(jMe Ζ,. :少=0山…，X-l};對I'i求逆，可以得到CRT-UI序列的特征集：ΙρΓ1 (I，i)，i = l，2，"，K〇
【文檔編號】H04W40/02GK105828404SQ201610144386
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月14日
【發(fā)明人】張晉, 張一晉, 徐偉, 崔夢菲, 房玉軒, 周遠達, 鄒愛潔, 桂林卿
【申請人】南京理工大學(xué)