CN102892174A - 基于智能天线和动态虚拟簇的均衡节能路由方法 - Google Patents

基于智能天线和动态虚拟簇的均衡节能路由方法 Download PDF

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CN102892174A CN2012104020113A CN201210402011A CN102892174A CN 102892174 A CN102892174 A CN 102892174A CN 2012104020113 A CN2012104020113 A CN 2012104020113A CN 201210402011 A CN201210402011 A CN 201210402011A CN 102892174 A CN102892174 A CN 102892174A
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Abstract

一种基于智能天线和动态虚拟簇的均衡节能路由方法，属于无线传感器网络路由方法。本发明在辅助中继和智能天线的波束范围内构建虚拟簇，从簇内选择中继加权值最大的节点充当路由中继，并根据节点能耗情况和节点间距离，利用波束扩展法对虚拟簇进行动态更新，如果波束宽度超过阈值或者中继节点死亡，则依据加权距离矩阵重新发起路由请求，重新建立路由中继；方法：构建发送功率模型；构建能量消耗模型、虚拟簇的动态构建与更新。优点：利用智能天线和动态虚拟簇结合的方式有效降低无线传感器网络的能耗，引入动态虚拟簇机制，根据网络节点的存活情况动态选取中继节点，在节省能量的同时，实现了能耗在节点之间的均匀分布，延长了节点的中继寿命。

Description

基于智能天线和动态虚拟簇的均衡节能路由方法
技术领域
本发明涉及一种无线传感器网络路由方法，特别是一种基于智能天线和动态虚拟簇的均衡节能路由方法。
背景技术
随着物联网技术的快速发展，无线传感器网络技术作为其核心构成，广泛应用于环境监测，远程控制，城市管理，工农业控制，军事国防，生物医疗等许多智能领域，成为现在研究的主要热点之一，其中利用无线传感器网络采集和传输数据是其中一项重要研究内容。一般无线传感器网络运行在环境比较恶劣，人类稀少、无法接近的区域，因此，检修、操作起来比较困难，而且网络的路由节点通常不能随时补充能量。
无线传感器网络需要连续监测，尽可能的延长网络寿命，并且避免某个区域的节点过早死亡而出现监测空洞，这就要求研究合适的节能方法，同时能够在节点间均衡的消耗能量。
现在的方式主要有：一方面可以在物理层采用功耗更低的电路，同时尽量降低发射功率；另一方面可以在网络层设计节能路由，以降低寻路和数据传输的能耗。传统的在网络层用全向天线设计节能路由的方式功耗较大、传送效率低下，中继路由节点的死亡率高，从而可能导致系统瘫痪或者形成监测空洞等，它已不适合现代无线传感器网络中数据传送速率的需求。
发明内容
本发明的目的是要提供一种基于智能天线和动态虚拟簇的均衡节能路由方法，解决无线传感器网络中节点间的能量消耗问题。
为实现上述目的，本发明提供基于智能天线和动态虚拟簇的均衡节能路由的方法，
基于智能天线和虚拟簇的均衡节能路由算法为能量节省与能耗均衡相结合的路由算法SaDVC-Routing，在辅助中继和智能天线的波束范围内构建虚拟簇，从簇内选择中继加权值最大的节点充当路由中继，并根据节点能耗情况和节点间距离，利用波束扩展法对虚拟簇进行动态更新，如果波束宽度超过阈值或者中继节点死亡，则依据加权距离矩阵重新发起路由请求，重新建立路由中继；包括：一、构建发送功率模型；二、构建能量消耗模型、三、虚拟簇的动态构建与更新；具体方法如下：
一、构建发送功率模型
将无线传感器网络的节点分布在二维空间区域，每个节点配有智能天线，已知全向天线自由空间路径损耗模型：无线传感器网络英文表示为Wireless Sensor Networks, WSN，
         
其中，
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE006
为接收功率，
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE008
为发送功率，为传输信号的波长，
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE012
为衰减指数；若设定
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE014
，对于智能天线而言，有：
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE016
        
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE018
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE020
为智能天线相对于全向天线的增益，对于一个波束宽度为的智能天线而言，其表面积
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE024
可以用球冠表面积计算，为
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE026
；在接收节点收到信号后，只有
Figure 999978DEST_PATH_IMAGE006
大于解码阈值
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE028
，才能对其正确接收和解码，这就要求发送功率
Figure 486192DEST_PATH_IMAGE008
满足如下条件：
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE030
        
发送功率一般不能连续改变，为了提高发射功率
Figure 975686DEST_PATH_IMAGE008
，将发送功率间隔的分成
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE034
个等级，等级间隔为
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE036
；在确定实际发送功率的时候，取：
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE038
  
其中，
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE042
表示发送节点的第
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE044
个功率等级；
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE046
表示大于等于
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE048
的最小整数；
二、构建能量消耗模型
假设发送和接收1比特数据的电路能耗均为
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE050
且固定不变，天线放大1比特数据的能耗为
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE052
且固定不变，发送能耗为，接收能耗为
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE056
， 
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE058
 、
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE060
分别表示全向天线智能天线在功率
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE062
下的发射距离，那么智能天线发送一个长度为
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE064
比特的数据包的能耗为：
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE066
    
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE068
发送一个数据包的能耗只与收发节点之间的距离
Figure 60534DEST_PATH_IMAGE060
有关，
Figure 949468DEST_PATH_IMAGE060
直接使用节点间的物理距离；在同样的发射功率下，可以推出：
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE072
，因此，如果采用全向天线将同样的
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE074
比特数据发送到相同节点，它所需要的能耗为：
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE076
  
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE078
三、虚拟簇的动态构建与更新
（1）虚拟簇的动态构建
先利用现有的简单路由Dijkstra算法，寻找从源节点S到目标节点D的路由作为辅助路由，路由上的中间节点称为辅助中继，用
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE080
表示，以
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE082
为圆心，
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE084
为半径画圆，它构成虚拟簇的边界；簇边界所覆盖的节点即簇内节点组成一个簇，记为
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE086
，其中为本跳节点与
Figure 767819DEST_PATH_IMAGE080
之间的距离；同时令智能天线的最大波束宽度为
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE090
，如果
Figure 913367DEST_PATH_IMAGE086
内没有任何节点，称为“簇内真空”，且
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE092
，就将波束宽度值更新为
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE094
，表示智能天线的波束宽度变化增量，然后以
Figure 122062DEST_PATH_IMAGE080
为圆心、
Figure 817617DEST_PATH_IMAGE084
为半径利用波束扩展法重新构建虚拟簇；
虚拟簇构建完毕以后，由辅助中继将该簇的簇内节点ID号存储在一个
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE098
的“簇身份矩阵”
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE100
中，它的每一行表示一个节点的[簇ID，节点ID]，共有
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE102
个簇内节点；随后，将“簇身份矩阵”传递给上一辅助中继，由它将来自下一跳的“簇身份矩阵”广播给其自身的簇内节点，使虚拟簇的所有簇内节点都知道下一虚拟簇的簇内节点组成情况；
选择某个簇内中继节点的时候，将距离和剩余能量这两个因素结合起来，采用中继加权值的方式选出中继加权值最大的节点作为下一跳，所采用的中继加权值为：
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE104
  其中，
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE106
表示簇内节点的剩余能量；
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE108
为簇内节点与辅助中继的距离，
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE110
为的最大值，
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE112
表达了距离因素所占的比重；
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE114
为权重调节因子，用于调节节点剩余能量与节点距离在中继加权值中的比重，在选择下一跳中继节点时，通过中继加权值的方式选择最大的权值作为下一条节点，实现局部即虚拟簇能耗均衡；
（2）虚拟簇的动态更新
中继节点每发送一个数据包后就检查自己的剩余能量，如果低于阈值，就利用自己的仅有能量将节点死亡消息沿着数据传递的反向路径报告给源节点即节点死亡报告；否则，继续判断波束宽度是否超过阈值，如果没有超过，就采用波束扩大法重建虚拟簇；如果超过，要求源节点重新发起一次Dijkstra路由请求，以便重新寻找一条辅助路由和一系列辅助中继，采用源头更新法以新的辅助中继为圆心构建虚拟簇；
如若源节点在收到节点死亡报告，假定死亡节点的，将自己的“距离矩阵”中的元素
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE118
 和
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE120
 删除，其中
Figure 679361DEST_PATH_IMAGE118
表示第行的所有元素，
Figure 491196DEST_PATH_IMAGE120
表示第
Figure 733652DEST_PATH_IMAGE048
列的所有元素；同时，源节点还需要将死亡节点ID记录到“死亡节点向量”中，并在新的Dijikstra路由请求中包含“死亡节点向量”的内容，以便其它节点知晓网络的最新拓扑结构；其它节收到该请求后，按照相似的方法更新自身的“距离矩阵”和“死亡节点向量”；选择辅助中继时，在基于源头更新法的基础上，用节点剩余能量去调节距离矩阵，使得剩余能量越大的节点，其加权距离越小，更可能被Dijkstra算法选择为辅助中继。
所述的基于智能天线和虚拟簇的均衡节能路由算法，具体实现步骤为：
1）初始化：设定
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE124
、
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE126
、
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE128
、
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE130
的初始值，根据网络各节点的坐标设置距离矩阵
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE132
，簇身份矩阵
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE134
和死亡节点向量
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE136
为空，设置最小能量等级
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE138
、最大能量等级
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE140
和
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE142
，给定
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE144
、
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE146
和
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE148
，并为数据包大小
Figure 304091DEST_PATH_IMAGE064
和权重调节因子
Figure 981323DEST_PATH_IMAGE114
给定初值；
2）源节点利用Dijkstra算法寻找辅助中继和辅助路由，如果失败，就直接退出，否则进入第3步；
3）如果下一跳就是目标节点，直接发送数据给它；否则以为圆心、
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE152
为半径构建虚拟簇，同时更新簇身份矩阵；
4）计算中继加权值，选择中继加权值最大的簇内节点为下一跳，记为Relay；
5）本跳节点查询“距离矩阵”，确定到达下一跳即Relay的距离，然后确定本次数据的发送功率，如果节点使用最大发射功率仍然无法发送，则返回第4步；否则将数据发给Relay；
6）发送节点发完数据、接收节点收到数据以后，分别监测自己的剩余能量，若低于死亡阈值，转向第7步，否则转向第8步；
7）本跳节点向源节点发送节点死亡报告，转向第10步；
8）判断波束宽度是否超过阈值，若超过阈值，转向第11步，否则转向第9步；
9）将波束宽度值更新为
Figure 2012104020113100002DEST_PATH_IMAGE154
，重新构建虚拟簇；
10）源节点删除距离矩阵中与死亡节点相关的行和列，将死亡节点的ID加入死亡节点向量；
11）重置波束宽度为初始值，发起新的Dijkstra路由请求；
12）如果是目标节点收到数据，就向源节点发送一条确认；否则转到第3步。
有益效果，由于采用了上述方案，无线传感器的能量低，一般为电池供电，且多数情况无法通过充电的方式而获得能量，避免网络中的节点能耗不均，致使部分节点因为能量快速耗尽而死亡，形成监测漏洞。智能天线可以自适应的将波束对准目标节点的方向，并能够按需调整波束宽度，将同样长度的数据发送到同样距离，所需要的发射功率要小得多。充分利用智能天线和分簇方法的优势，将能实现物理层和网络层的跨层优化，获得较高的能量增益。综合利用智能天线自适应调整波束宽度、分簇和功率调整的方法，提出一种基于智能天线和虚拟簇的均衡节能路由算法，以期达到能量节省和节点间均衡消耗能量的目的。主要适用于网络层的路由中继选择。尤其应用在无线传感器网络中的数据传输，从能量节省与能耗均衡的角度选择最佳路由中继来接受并转发数据，实现对外部周围环境的感知和监测。克服传统用全向天线设计节能路由的不足之处，利用智能天线和动态虚拟簇结合的方式来减少和均衡路由中继的能耗，达到降低无线传感器网络能耗，延长寿命、提高传输效率等功能。
优点：利用智能天线和动态虚拟簇结合的方式有效降低无线传感器网络的能耗，引入动态虚拟簇机制，根据网络节点的存活情况动态选取中继节点，在节省能量的同时，实现了能耗在节点之间的均匀分布，明显延长了节点的中继寿命，减少监测空洞的形成。
附图说明
图1为本发明的智能天线的波束及其功率等级。
图2为本发明的虚拟簇的构建。
图3为本发明的SaDVC-Routing的算法流程。
具体实施方式
实施例1：本发明基于智能天线和虚拟簇的均衡节能路由算法，采用能量节省与能耗均衡相结合的路由算法SaDVC-Routing，在辅助中继和智能天线的波束范围内构建虚拟簇，从簇内选择中继加权值最大的节点充当路由中继，并根据节点能耗情况和节点间距离，利用波束扩展法对虚拟簇进行动态更新，如果波束宽度超过阈值或者中继节点死亡，则依据加权距离矩阵重新发起路由请求，重新建立路由中继；包括：一、构建发送功率模型；二、构建能量消耗模型、三、虚拟簇的动态构建与更新；具体方法如下：
一、构建发送功率模型
将无线传感器网络的节点分布在二维空间区域，每个节点配有智能天线，已知全向天线自由空间路径损耗模型：
Figure 871000DEST_PATH_IMAGE002
         
其中，
Figure 11267DEST_PATH_IMAGE006
为接收功率，
Figure 357935DEST_PATH_IMAGE008
为发送功率，
Figure 583511DEST_PATH_IMAGE010
为传输信号的波长，
Figure 172362DEST_PATH_IMAGE012
为衰减指数；若设定
Figure 166994DEST_PATH_IMAGE014
，对于智能天线而言，有：
Figure 418983DEST_PATH_IMAGE016
        
Figure 128926DEST_PATH_IMAGE018
Figure 258818DEST_PATH_IMAGE020
为智能天线相对于全向天线的增益，对于一个波束宽度为
Figure 370606DEST_PATH_IMAGE022
的智能天线而言，其表面积可以用球冠表面积计算，为；在接收节点收到信号后，只有
Figure 654147DEST_PATH_IMAGE006
大于解码阈值
Figure 108524DEST_PATH_IMAGE028
，才能对其正确接收和解码，这就要求发送功率
Figure 715699DEST_PATH_IMAGE008
满足如下条件：
Figure 386851DEST_PATH_IMAGE030
        
Figure 373393DEST_PATH_IMAGE032
发送功率一般不能连续改变，为了提高发射功率
Figure 944926DEST_PATH_IMAGE008
，将发送功率间隔的分成
Figure 725932DEST_PATH_IMAGE034
个等级，等级间隔为；在确定实际发送功率的时候，取：
Figure 406104DEST_PATH_IMAGE038
  
Figure 835074DEST_PATH_IMAGE040
其中，
Figure 795770DEST_PATH_IMAGE042
表示发送节点的第
Figure 441515DEST_PATH_IMAGE044
个功率等级；
Figure 973121DEST_PATH_IMAGE046
表示大于等于
Figure 519247DEST_PATH_IMAGE048
的最小整数；
二、构建能量消耗模型
假设发送和接收1比特数据的电路能耗均为且固定不变，天线放大1比特数据的能耗为且固定不变，发送能耗为
Figure 585215DEST_PATH_IMAGE054
，接收能耗为
Figure 202404DEST_PATH_IMAGE056
， 
Figure 852303DEST_PATH_IMAGE058
 、
Figure 395280DEST_PATH_IMAGE060
分别表示全向天线智能天线在功率
Figure 500771DEST_PATH_IMAGE062
下的发射距离，那么智能天线发送一个长度为
Figure 648548DEST_PATH_IMAGE064
比特的数据包的能耗为：
Figure 906616DEST_PATH_IMAGE066
    
Figure 368297DEST_PATH_IMAGE068
发送一个数据包的能耗
Figure 475931DEST_PATH_IMAGE070
只与收发节点之间的距离
Figure 684189DEST_PATH_IMAGE060
有关，
Figure 793834DEST_PATH_IMAGE060
直接使用节点间的物理距离；在同样的发射功率下，可以推出：
Figure 694925DEST_PATH_IMAGE072
，因此，如果采用全向天线将同样的
Figure 24275DEST_PATH_IMAGE074
比特数据发送到相同节点，它所需要的能耗为：
  
三、虚拟簇的动态构建与更新
（1）虚拟簇的动态构建
先利用现有的简单路由Dijkstra算法，寻找从源节点S到目标节点D的路由作为辅助路由，路由上的中间节点称为辅助中继，用
Figure 549999DEST_PATH_IMAGE080
表示，以
Figure 366646DEST_PATH_IMAGE082
为圆心，为半径画圆，它构成虚拟簇的边界；簇边界所覆盖的节点即簇内节点组成一个簇，记为
Figure 944DEST_PATH_IMAGE086
，其中为本跳节点与之间的距离；同时令智能天线的最大波束宽度为
Figure 101865DEST_PATH_IMAGE090
，如果
Figure 558385DEST_PATH_IMAGE086
内没有任何节点，称为“簇内真空”，且
Figure 454404DEST_PATH_IMAGE092
，就将波束宽度值更新为
Figure 465216DEST_PATH_IMAGE094
，
Figure 606347DEST_PATH_IMAGE096
表示智能天线的波束宽度变化增量，然后以
Figure 926163DEST_PATH_IMAGE080
为圆心、
Figure 714122DEST_PATH_IMAGE084
为半径利用波束扩展法重新构建虚拟簇；
虚拟簇构建完毕以后，由辅助中继将该簇的簇内节点ID号存储在一个的“簇身份矩阵”
Figure 186746DEST_PATH_IMAGE100
中，它的每一行表示一个节点的[簇ID，节点ID]，共有
Figure 601547DEST_PATH_IMAGE102
个簇内节点；随后，将“簇身份矩阵”传递给上一辅助中继，由它将来自下一跳的“簇身份矩阵”广播给其自身的簇内节点，使虚拟簇的所有簇内节点都知道下一虚拟簇的簇内节点组成情况；
选择某个簇内中继节点的时候，将距离和剩余能量这两个因素结合起来，采用中继加权值的方式选出中继加权值最大的节点作为下一跳，所采用的中继加权值为：
Figure 354215DEST_PATH_IMAGE104
  其中，
Figure 355931DEST_PATH_IMAGE106
表示簇内节点的剩余能量；
Figure 586668DEST_PATH_IMAGE108
为簇内节点与辅助中继的距离，
Figure 121554DEST_PATH_IMAGE110
为
Figure 782474DEST_PATH_IMAGE108
的最大值，
Figure 749117DEST_PATH_IMAGE112
表达了距离因素所占的比重；
Figure 786474DEST_PATH_IMAGE114
为权重调节因子，用于调节节点剩余能量与节点距离在中继加权值中的比重，在选择下一跳中继节点时，通过中继加权值的方式选择最大的权值作为下一条节点，实现局部即虚拟簇能耗均衡；
（2）虚拟簇的动态更新
中继节点每发送一个数据包后就检查自己的剩余能量，如果低于阈值，就利用自己的仅有能量将节点死亡消息沿着数据传递的反向路径报告给源节点即节点死亡报告；否则，继续判断波束宽度是否超过阈值，如果没有超过，就采用波束扩大法重建虚拟簇；如果超过，要求源节点重新发起一次Dijkstra路由请求，以便重新寻找一条辅助路由和一系列辅助中继，采用源头更新法以新的辅助中继为圆心构建虚拟簇；
如若源节点在收到节点死亡报告（假定死亡节点的
Figure 707026DEST_PATH_IMAGE116
），将自己的“距离矩阵”中的元素
Figure 270338DEST_PATH_IMAGE118
 和
Figure 777805DEST_PATH_IMAGE120
 删除，其中
Figure 350344DEST_PATH_IMAGE118
表示第
Figure 63085DEST_PATH_IMAGE122
行的所有元素，
Figure 331386DEST_PATH_IMAGE120
表示第
Figure 792061DEST_PATH_IMAGE048
列的所有元素；同时，源节点还需要将死亡节点ID记录到“死亡节点向量”中，并在新的Dijikstra路由请求中包含“死亡节点向量”的内容，以便其它节点知晓网络的最新拓扑结构；其它节收到该请求后，按照相似的方法更新自身的“距离矩阵”和“死亡节点向量”；选择辅助中继时，在基于源头更新法的基础上，用节点剩余能量去调节距离矩阵，使得剩余能量越大的节点，其加权距离越小，更可能被Dijkstra算法选择为辅助中继。
在自由空间路径损耗模型基础上，推导出智能天线的发送功率模型：
Figure 171221DEST_PATH_IMAGE038
，(1)
表示发送节点的第
Figure 372807DEST_PATH_IMAGE044
个功率等级；
Figure DEST_PATH_IMAGE160
表示大于等于
Figure 372862DEST_PATH_IMAGE122
的最小整数。
利用推导的发射功率模型，进一步建立智能天线的能量消耗模型：
Figure 573030DEST_PATH_IMAGE076
     （2）
采用Dijkstra算法，寻找从源节点S到目标节点D路由之间的辅助中继，以
Figure 739569DEST_PATH_IMAGE150
为圆心，
Figure 705864DEST_PATH_IMAGE152
为半径画圆，它构成虚拟簇的边界；簇边界所覆盖的节点（簇内节点）组成一个簇，记为
Figure DEST_PATH_IMAGE162
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE164
为本跳节点与
Figure 407978DEST_PATH_IMAGE150
之间的距离，令智能天线的最大波束宽度为
Figure 829864DEST_PATH_IMAGE128
；如果
Figure 575927DEST_PATH_IMAGE162
内没有任何节点（称为“簇内真空”）且
Figure DEST_PATH_IMAGE166
，采用波束扩展法，就将波束宽度值更新为
Figure 678619DEST_PATH_IMAGE154
（
Figure 708892DEST_PATH_IMAGE126
表示智能天线的波束宽度变化增量），然后以
Figure 618073DEST_PATH_IMAGE150
为圆心、
Figure 624950DEST_PATH_IMAGE152
为半径重新构建虚拟簇。
虚拟簇构建完毕以后，利用查询矩阵索引的方式，由辅助中继将该簇的簇内节点ID号存储在一个
Figure DEST_PATH_IMAGE168
的“簇身份矩阵”
Figure 99925DEST_PATH_IMAGE134
中，它的每一行表示一个节点的[簇ID，节点ID]，共有
Figure DEST_PATH_IMAGE170
个簇内节点；随后，将“簇身份矩阵”传递给上一辅助中继，由它将来自下一跳的“簇身份矩阵”广播给其自身的簇内节点，虚拟簇的所有簇内节点都知道了下一虚拟簇的簇内节点组成情况。
源节点在收到节点死亡报告（假定死亡节点的
Figure DEST_PATH_IMAGE172
）的时候，将自己的“距离矩阵”中的元素
Figure DEST_PATH_IMAGE174
 和
Figure DEST_PATH_IMAGE176
 删除，其中
Figure 778729DEST_PATH_IMAGE174
表示第行的所有元素，表示第
Figure 250009DEST_PATH_IMAGE122
列的所有元素，同时，源节点还需要将死亡节点ID记录到“死亡节点向量”中，并在新的Dijikstra路由请求中包含“死亡节点向量”的内容，以便其它节点知晓网络的最新拓扑结构，其它节点收到该请求后，按照相似的方法更新自身的“距离矩阵”和“死亡节点向量”，通过源头更新法则对虚拟簇的进行动态更新。
所采用的中继加权值为：
Figure 310500DEST_PATH_IMAGE104
  其中，
Figure 660186DEST_PATH_IMAGE106
表示簇内节点的剩余能量；
Figure 775909DEST_PATH_IMAGE108
为簇内节点与辅助中继的距离，
Figure 428739DEST_PATH_IMAGE110
为
Figure 950811DEST_PATH_IMAGE108
的最大值，
Figure 525143DEST_PATH_IMAGE112
表达了距离因素所占的比重；
Figure 192360DEST_PATH_IMAGE114
为权重调节因子，用于调节节点剩余能量与节点距离在中继加权值中的比重，在选择下一跳中继节点时，通过中继加权值的方式选择最大的权值作为下一条节点，实现局部（虚拟簇）能耗均衡。
所述的基于智能天线和虚拟簇的均衡节能路由算法（Routing based on Smart antenna and Dynamic Virtual Cluster ，SaDVC-Routing），图3为该算法的数据转发流程，分步骤解释如下：
（1）初始化：设定
Figure 978657DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 4120DEST_PATH_IMAGE096
、
Figure 111753DEST_PATH_IMAGE128
、
Figure DEST_PATH_IMAGE178
的初始值，根据网络各节点的坐标设置距离矩阵，簇身份矩阵
Figure 847900DEST_PATH_IMAGE134
和死亡节点向量为空，设置最小能量等级、最大能量等级
Figure 943486DEST_PATH_IMAGE140
和
Figure 591460DEST_PATH_IMAGE142
，给定
Figure 601135DEST_PATH_IMAGE144
、
Figure 401470DEST_PATH_IMAGE146
和
Figure 712716DEST_PATH_IMAGE148
，并为数据包大小
Figure 339830DEST_PATH_IMAGE064
和权重调节因子给定初值； 
（2）源节点利用Dijkstra算法寻找辅助中继和辅助路由，如果失败，就直接退出，否则进入第3步；
（3）如果下一跳就是目标节点，直接发送数据给它；否则以为圆心、
Figure 408128DEST_PATH_IMAGE152
为半径构建虚拟簇，同时更新簇身份矩阵；
（4）计算中继加权值，选择中继加权值最大的簇内节点为下一跳，记为Relay；
（5）本跳节点查询“距离矩阵”，确定到达下一跳（即Relay）的距离，然后确定本次数据的发送功率，如果节点使用最大发射功率仍然无法发送，则返回第4步；否则将数据发给Relay；
（6）发送节点发完数据、接收节点收到数据以后，分别监测自己的剩余能量，若低于死亡阈值，转向第7步，否则转向第8步；
（7）本跳节点向源节点发送节点死亡报告，转向第10步；
（8）判断波束宽度是否超过阈值，若超过阈值，转向第11步，否则转向第9步；
（9）将波束宽度值更新为
Figure 545541DEST_PATH_IMAGE154
，重新构建虚拟簇；
（10）源节点删除距离矩阵中与死亡节点相关的行和列，将死亡节点的ID加入死亡节点向量；
（11）重置波束宽度为初始值，发起新的Dijkstra路由请求；
（12）如果是目标节点收到数据，就向源节点发送一条确认；否则转到第3步。  

Claims (2)

1.一种基于智能天线和动态虚拟簇的均衡节能路由方法，其特征在于：基于智能天线和虚拟簇的均衡节能路由算法为能量节省与能耗均衡相结合的路由算法SaDVC-Routing，在辅助中继和智能天线的波束范围内构建虚拟簇，从簇内选择中继加权值最大的节点充当路由中继，并根据节点能耗情况和节点间距离，利用波束扩展法对虚拟簇进行动态更新，如果波束宽度超过阈值或者中继节点死亡，则依据加权距离矩阵重新发起路由请求，重新建立路由中继；包括：一、构建发送功率模型；二、构建能量消耗模型、三、虚拟簇的动态构建与更新；具体方法如下：
一、构建发送功率模型
将无线传感器网络的节点分布在二维空间区域，每个节点配有智能天线，已知全向天线自由空间路径损耗模型：
         
Figure 2012104020113100001DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure 2012104020113100001DEST_PATH_IMAGE006
为接收功率，
Figure 2012104020113100001DEST_PATH_IMAGE008
为发送功率，
Figure 2012104020113100001DEST_PATH_IMAGE010
为传输信号的波长，
Figure 2012104020113100001DEST_PATH_IMAGE012
为衰减指数；若设定
Figure 2012104020113100001DEST_PATH_IMAGE014
，对于智能天线而言，有：
Figure 2012104020113100001DEST_PATH_IMAGE016
        
Figure DEST_PATH_IMAGE018
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为智能天线相对于全向天线的增益，对于一个波束宽度为
Figure DEST_PATH_IMAGE022
的智能天线而言，其表面积
Figure DEST_PATH_IMAGE024
可以用球冠表面积计算，为
Figure DEST_PATH_IMAGE026
；在接收节点收到信号后，只有
Figure 905071DEST_PATH_IMAGE006
大于解码阈值
Figure DEST_PATH_IMAGE028
，才能对其正确接收和解码，这就要求发送功率
Figure 38856DEST_PATH_IMAGE008
满足如下条件：
Figure DEST_PATH_IMAGE030
        
Figure DEST_PATH_IMAGE032
发送功率一般不能连续改变，为了提高发射功率
Figure 693960DEST_PATH_IMAGE008
，将发送功率间隔的分成
Figure DEST_PATH_IMAGE034
个等级，等级间隔为
Figure DEST_PATH_IMAGE036
；在确定实际发送功率的时候，取：
  
Figure DEST_PATH_IMAGE040
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE042
表示发送节点的第
Figure DEST_PATH_IMAGE044
个功率等级；
Figure DEST_PATH_IMAGE046
表示大于等于
Figure DEST_PATH_IMAGE048
的最小整数；
二、构建能量消耗模型
假设发送和接收1比特数据的电路能耗均为
Figure DEST_PATH_IMAGE050
且固定不变，天线放大1比特数据的能耗为且固定不变，发送能耗为
Figure DEST_PATH_IMAGE054
，接收能耗为
Figure DEST_PATH_IMAGE056
， 
Figure DEST_PATH_IMAGE058
 、分别表示全向天线智能天线在功率
Figure DEST_PATH_IMAGE062
下的发射距离，那么智能天线发送一个长度为
Figure DEST_PATH_IMAGE064
比特的数据包的能耗为：
Figure DEST_PATH_IMAGE066
    
Figure DEST_PATH_IMAGE068
发送一个数据包的能耗
Figure DEST_PATH_IMAGE070
只与收发节点之间的距离
Figure 228451DEST_PATH_IMAGE060
有关，直接使用节点间的物理距离；在同样的发射功率下，可以推出：
Figure DEST_PATH_IMAGE072
，因此，如果采用全向天线将同样的
Figure DEST_PATH_IMAGE074
比特数据发送到相同节点，它所需要的能耗为：
Figure DEST_PATH_IMAGE076
  
三、虚拟簇的动态构建与更新
（1）虚拟簇的动态构建
先利用现有的简单路由Dijkstra算法，寻找从源节点S到目标节点D的路由作为辅助路由，路由上的中间节点称为辅助中继，用表示，以
Figure DEST_PATH_IMAGE082
为圆心，
Figure DEST_PATH_IMAGE084
为半径画圆，它构成虚拟簇的边界；簇边界所覆盖的节点即簇内节点组成一个簇，记为
Figure DEST_PATH_IMAGE086
，其中为本跳节点与
Figure 423208DEST_PATH_IMAGE080
之间的距离；同时令智能天线的最大波束宽度为，如果
Figure 440974DEST_PATH_IMAGE086
内没有任何节点，称为“簇内真空”，且，就将波束宽度值更新为
Figure DEST_PATH_IMAGE094
，表示智能天线的波束宽度变化增量，然后以
Figure 87811DEST_PATH_IMAGE080
为圆心、为半径利用波束扩展法重新构建虚拟簇；
虚拟簇构建完毕以后，由辅助中继将该簇的簇内节点ID号存储在一个
Figure DEST_PATH_IMAGE098
的“簇身份矩阵”
Figure DEST_PATH_IMAGE100
中，它的每一行表示一个节点的[簇ID，节点ID]，共有
Figure DEST_PATH_IMAGE102
个簇内节点；随后，将“簇身份矩阵”传递给上一辅助中继，由它将来自下一跳的“簇身份矩阵”广播给其自身的簇内节点，使虚拟簇的所有簇内节点都知道下一虚拟簇的簇内节点组成情况；
选择某个簇内中继节点的时候，将距离和剩余能量这两个因素结合起来，采用中继加权值的方式选出中继加权值最大的节点作为下一跳，所采用的中继加权值为：
Figure DEST_PATH_IMAGE104
  其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE106
表示簇内节点的剩余能量；
Figure DEST_PATH_IMAGE108
为簇内节点与辅助中继的距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE110
为
Figure 557243DEST_PATH_IMAGE108
的最大值，
Figure DEST_PATH_IMAGE112
表达了距离因素所占的比重；
Figure DEST_PATH_IMAGE114
为权重调节因子，用于调节节点剩余能量与节点距离在中继加权值中的比重，在选择下一跳中继节点时，通过中继加权值的方式选择最大的权值作为下一条节点，实现局部即虚拟簇能耗均衡；
（2）虚拟簇的动态更新
中继节点每发送一个数据包后就检查自己的剩余能量，如果低于阈值，就利用自己的仅有能量将节点死亡消息沿着数据传递的反向路径报告给源节点即节点死亡报告；否则，继续判断波束宽度是否超过阈值，如果没有超过，就采用波束扩大法重建虚拟簇；如果超过，要求源节点重新发起一次Dijkstra路由请求，以便重新寻找一条辅助路由和一系列辅助中继，采用源头更新法以新的辅助中继为圆心构建虚拟簇；
如若源节点在收到节点死亡报告（假定死亡节点的），将自己的“距离矩阵”中的元素
Figure DEST_PATH_IMAGE118
 和
Figure DEST_PATH_IMAGE120
 删除，其中
Figure 41401DEST_PATH_IMAGE118
表示第
Figure DEST_PATH_IMAGE122
行的所有元素，
Figure 995057DEST_PATH_IMAGE120
表示第
Figure 643076DEST_PATH_IMAGE048
列的所有元素；同时，源节点还需要将死亡节点ID记录到“死亡节点向量”中，并在新的Dijikstra路由请求中包含“死亡节点向量”的内容，以便其它节点知晓网络的最新拓扑结构；其它节收到该请求后，按照相似的方法更新自身的“距离矩阵”和“死亡节点向量”；选择辅助中继时，在基于源头更新法的基础上，用节点剩余能量去调节距离矩阵，使得剩余能量越大的节点，其加权距离越小，更可能被Dijkstra算法选择为辅助中继。
2.根据权利要求1所述的一种基于智能天线和动态虚拟簇的均衡节能路由方法，其特征在于：所述的基于智能天线和虚拟簇的均衡节能路由算法，具体实现步骤为：
1）初始化：设定
Figure DEST_PATH_IMAGE124
、、
Figure DEST_PATH_IMAGE128
、的初始值，根据网络各节点的坐标设置距离矩阵，簇身份矩阵和死亡节点向量
Figure DEST_PATH_IMAGE136
为空，设置最小能量等级
Figure DEST_PATH_IMAGE138
、最大能量等级
Figure DEST_PATH_IMAGE140
和
Figure DEST_PATH_IMAGE142
，给定
Figure DEST_PATH_IMAGE144
、和，并为数据包大小
Figure 954146DEST_PATH_IMAGE064
和权重调节因子
Figure 320405DEST_PATH_IMAGE114
给定初值；
2）源节点利用Dijkstra算法寻找辅助中继和辅助路由，如果失败，就直接退出，否则进入第3步；
3）如果下一跳就是目标节点，直接发送数据给它；否则以为圆心、
Figure DEST_PATH_IMAGE152
为半径构建虚拟簇，同时更新簇身份矩阵；
4）计算中继加权值，选择中继加权值最大的簇内节点为下一跳，记为Relay；
5）本跳节点查询“距离矩阵”，确定到达下一跳即Relay的距离，然后确定本次数据的发送功率，如果节点使用最大发射功率仍然无法发送，则返回第4步；否则将数据发给Relay；
6）发送节点发完数据、接收节点收到数据以后，分别监测自己的剩余能量，若低于死亡阈值，转向第7步，否则转向第8步；
7）本跳节点向源节点发送节点死亡报告，转向第10步；
8）判断波束宽度是否超过阈值，若超过阈值，转向第11步，否则转向第9步；
9）将波束宽度值更新为
Figure DEST_PATH_IMAGE154
，重新构建虚拟簇；
10）源节点删除距离矩阵中与死亡节点相关的行和列，将死亡节点的ID加入死亡节点向量；
11）重置波束宽度为初始值，发起新的Dijkstra路由请求；
12）如果是目标节点收到数据，就向源节点发送一条确认；否则转到第3步。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104168619A (zh) * 2014-09-02 2014-11-26 哈尔滨工业大学 无线体域网下基于d算法的动态路由建立方法
CN105610486A (zh) * 2015-12-21 2016-05-25 东南大学 一种基于权重的携能通信系统双向中继选择方法
CN112929218A (zh) * 2021-02-04 2021-06-08 西安热工研究院有限公司 一种工控靶场虚实环境自动生成系统及装置

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101360051A (zh) * 2008-07-11 2009-02-04 西安电子科技大学 一种能量高效的无线传感器网络路由方法
CN101835277A (zh) * 2010-02-09 2010-09-15 重庆理工大学 基于leach-ant算法的无线传感器网络拓扑控制方法
CN102158927A (zh) * 2011-05-20 2011-08-17 北京邮电大学 一种高能效的无线传感器网络非均匀分簇路由方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101360051A (zh) * 2008-07-11 2009-02-04 西安电子科技大学 一种能量高效的无线传感器网络路由方法
CN101835277A (zh) * 2010-02-09 2010-09-15 重庆理工大学 基于leach-ant算法的无线传感器网络拓扑控制方法
CN102158927A (zh) * 2011-05-20 2011-08-17 北京邮电大学 一种高能效的无线传感器网络非均匀分簇路由方法

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104168619A (zh) * 2014-09-02 2014-11-26 哈尔滨工业大学 无线体域网下基于d算法的动态路由建立方法
CN104168619B (zh) * 2014-09-02 2018-01-30 哈尔滨工业大学 无线体域网下基于d算法的动态路由建立方法
CN105610486A (zh) * 2015-12-21 2016-05-25 东南大学 一种基于权重的携能通信系统双向中继选择方法
CN105610486B (zh) * 2015-12-21 2019-01-25 东南大学 一种基于权重的携能通信系统双向中继选择方法
CN112929218A (zh) * 2021-02-04 2021-06-08 西安热工研究院有限公司 一种工控靶场虚实环境自动生成系统及装置
CN112929218B (zh) * 2021-02-04 2022-09-27 西安热工研究院有限公司 一种工控靶场虚实环境自动生成系统及装置

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Applicant before: China University of Mining & Technology

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