CN104168619B - 无线体域网下基于d算法的动态路由建立方法 - Google Patents

Abstract

无线体域网下基于D算法的动态路由建立方法，涉及一种动态路由方法。是为了平衡了网络中的能量消耗，延长整个网络的生存周期。其方法：中心节点使用洪泛的方法获得网络的初始拓扑结构、与各节点间的距离和能量信息；然后得出网络的距离坐标矩阵；并转化为传输能耗矩阵，并进行加权处理，获得加权传输能耗矩阵；将加权传输能耗矩阵E_w，通过D算法生成权值矩阵，完成后，每个节点都能够找到到达中心节点的最低能耗路由；各节点根据已选出最低能耗路由进行数据传输。本发明适用于无线体域网下的信号传输。

Description

无线体域网下基于D算法的动态路由建立方法

技术领域

本发明涉及一种动态路由方法。

背景技术

无线体域网本质上是一种无线传感器网络，其观测的对象是人体本身，可以判断人体的动作变化和健康状况，对于医疗、娱乐、安全等方面有着十分广阔的应用前景。其网络的组成通常包含中心节点和普通节点；其中，普通节点完成对特定数据的采集和发射，通常还需要对其他节点的数据进行转发；中心节点是网络的中心，它接收各节点发送的数据并可以进行基本的处理，通常中心节点还有这网关的功能，使得体域网接入移动网络或WLAN，使用户和专业人员可以随时查看。

无线体域网需要具有自组网功能，数据往往经过多跳传输来实现，因此处在网络中间的普通节点需要承担距离中心节点较远节点的转发任务。无线体域网各个节点一般由微型电池供电，所以各个节点所携带的能量十分有限，此外，通信链路为无线信道，加之人体周围环境变化对信道影响的不可预测性以及各个节点所测量数据类型的不同，因此要根据无线体域网自身的特点，设计一种能够高效利用节点能量、并且能够合理分配网络整体资源的路由算法是无线体域网所面临的问题中最为重要的。

目前，传统的网络路由算法往往选择汇聚节点到源节点之间跳数最少的路径传输数据，但是对于无线传感器网络而言，由于各个节点的能量十分有限，多次重复使用同一路径传输数据信息，会造成这条路径上的节点消耗能量过快，因而过早死亡失效。由于节点的相继过早退出，原本一个整体的网络变得四分五裂，相互独立，缩短了整个网络的生存周期。

针对上述问题，基于多路径机制的动态路由算法可以有效的解决上述问题。该算法通过在汇聚节点和源节点之间建立多条路径，再根据路径上节点间的剩余能量情况，选择一条节点最小剩余能量最大的路径来进行数据传输。与选择单路径传输的算法比较，多路径算法能够显著提高整个网络的生存周期。

在实际无线传感器网络的应用中，各个节点需要靠电池供电，大部分节点都是相对静止的。因此，基于多路径机制的无线传感器网络动态路由算法提出以下假设：

(1)每个节点是相对静止的，汇聚节点接收其它各个节点传输来的数据信息；

(2)在传感器网络中，汇聚节点的能量为无限大，其它各个节点的初始能量是相同的；

(3)每一轮通信结束后，各个节点计算当前的剩余能量值；

(4)所有节点地位平等，具有相同的计算能力来支持计算路由和信号处理。

Dijikstra算法(以下简称D算法)是由荷兰计算机科学家迪克斯特拉与1959年提出的，是从一个顶点到其余各顶点的最短路径算法，解决的是有向图中最短路径问题。迪杰斯特拉算法主要特点是以起始点为中心向外层层扩展，直到扩展到终点为止。

D算法的具体步骤如下：

已知图G＝(V,E)，将其节点集分为两组：置定节点集G_p和未置定节点集G-G_p。其中G_p内的所有置定节点，是指定点v_s到这些节点的路径为最短(即已完成最短路径的计算)的节点。而G-G_p内的节点是未置定节点，即v_s到未置定节点距离是暂时的，随着算法的下一步将进行不断调整，使其成为最短径。在调整各未置定节点的最短径时，是将G_p中的节点作为转接点。具体地说，就是将G_p中的节点作为转接点，计算(v_s,v_j)的径长(v_j∈G-G_p)，若该次计算的径长小于上次的值，则更新径长，否则，径长不变。计算后取其中径长最短者，之后将v_j划归到G_p中。当(G-G_p)最终成为空集，同时G_p＝G，即求得v_s到所有其他节点的最短路径。

发明内容

本发明是为了平衡了网络中的能量消耗，延长整个网络的生存周期，从而提供一种无线体域网下基于D算法的动态路由建立方法。

无线体域网下基于D算法的动态路由建立方法，在无线体域网中，它由以下步骤实现：

步骤一、中心节点使用洪泛的方法获得网络的初始拓扑结构、与各节点间的距离和能量信息，初始化结束之后，中心节点获得如下信息：

网络中各节点的初始拓扑结构、各节点的剩余能量和各节点的初始能量水平；

步骤二、根据步骤一所获得的拓扑信息，得出网络的距离坐标矩阵DD＝{d_ij}，d_ij为节点i与节点j之间距离；

采用体表的电磁波传播模型，将网络的距离坐标矩阵DD转化为传输能耗矩阵E_tran＝{e_ij}，其中，e_ij表示的是节点i向节点j发送数据所需消耗的最低能量值；

步骤三、对步骤二得到的传输能耗矩阵E_tran进行加权处理，获得加权传输能耗矩阵E_w＝W^TEW，W为根据节点剩余能量所得到的权值矩阵，权值矩阵W的计算公式为：

其中：设节点1为网络中的中心节点，其权值始终为1，e_i表示节点i的剩余能量，α为常数系数；e_k表示节点k的剩余能量；

步骤四、根据所获得加权传输能耗矩阵E_w，通过D算法生成权值矩阵，

具体方法为：

将已知图G＝(V,E)中的节点集分为两组：置定节点集G_p＝{v_s}和未置定节点集G-G_p，未置定节点标值：

在未置定节点集G-G_p中找到节点v_i，使节点v_s到节点v_i的距离最小，并将节点v_i划归置定节点集G_p，并赋予一个距离权值d_i＝W_i；

以新置定节点集G_p中的节点作为转接点，计算并修改未置定节点集G-G_p中的未置定节点标值W_j；

重复在未置定节点集G-G_p中找到其标值最小的节点并将其加入置定节点G_p中，每完成一个周期都要更新未置定节点标值W_j以便进行下一周期添加，直至所有G_p＝G时，所有的节点都被置定；

其中：置定节点集G_p内的所有置定节点：是指定节点v_s到这些节点的路径为最短的节点，即：已完成最短路径的计算的节点；

未置定节点集G-G_p内的节点是未置定节点，即：指定节点v_s到未置定节点距离是暂时的，最终调整成为最短径；在调整各未置定节点的最短径时，是将G_p中的节点作为转接点；

步骤四完成后，每个节点都能够找到到达中心节点的最低能耗路由；

步骤五、完成路由建立，各节点根据已选出最低能耗路由进行数据传输。

步骤五中，各节点根据已选出最低能耗路由进行数据传输的过程中，每完成一个时间T，则对权值矩阵W进行一次更新；在权值矩阵W进行更新的同时，检验每个节点的剩余能量；

并逐一判断每个节点的剩余能量低于预设的保护门限值Epro，如果判断结果为是，则执行步骤五一；如果判断结果为否，则执行步骤五二；

步骤五一、节点进入保护模式，由于能量过低，停止转发其它节点的数据，进入保护模式的节点将其对应的能耗矩阵E中的值全部置为最大值，其他任何节点都不能再通过其向中心节点转发数据；

步骤五二、节点依然处于转发状态，并按照步骤三中的权值公式，更新权值矩阵W中该节点所对应的值。

在每个周期下，检验网络中每个节点的剩余能量是否高于死亡门限值Edead，如果判断结果为是，则执行步骤六一；如果判断结果为否，则执行步骤六二；

步骤六一、则该节点死亡，将该节点的信息删除，剩余节点返回步骤二，组成新的拓扑结构重新计算路由；

步骤六二、则无节点死亡，采用更新过的权值矩阵，返回执行步骤四中的过程。

本发明是一种用于无线体域网的动态多路径路由建立方法，是基于D算法实现的，本发明通过赋予加权因数，有效地均衡了各节点的功耗、提高了无线传感器网络的整体能量利用率，延长了整个网络的生存周期。

附图说明

图1是本发明的方法流程示意图。

图2是本发明中所用到改进的D算法流程图。

图3是本发明的加权动态多路径路由方法流程图。

图4是本发明的无线体域网网络结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本具体实施方式，无线体域网下基于D算法的动态路由建立方法，具体实施步骤如下：

步骤一，中心节点使用洪泛的方法获得网络的初始拓扑结构和与各节点间的距离、能量等信息，初始化结束之后，中心节点获得如下信息：

网络中各节点的初始拓扑结构，各节点的剩余能量和各节点的初始能量水平。

步骤二，根据步骤一所获得的拓扑信息，得出网络的距离坐标矩阵DD＝{d_ij}，d_ij为节点i与节点j之间距离。结合体表的电磁波传播模型，将距离坐标矩阵转化为传输能耗矩阵E_tran＝{e_ij}，其中，e_ij表示的是节点i向节点j发送数据所需消耗的最低能量值。

步骤三，对步骤二得到的传输能耗矩阵进行加权处理，获得加权传输能耗矩阵E_w＝W^TEW，W为根据节点剩余能量所得到的权值矩阵，权值矩阵W的计算公式为：

其中，假设节点1为网络中的中心节点，其权值始终为1，e_i表示节点i的剩余能量，为常数系数，其值决定使得能量均匀分布的权重对最终结果的影响。

步骤四，根据所获得加权传输能耗矩阵，通过D算法生成权值矩阵，具体方法为：

已知图G＝(V,E)，将其节点集分为两组：置定节点集G_p＝{v_s}和未置定节点集G-G_p，未置定节点标值：

在G-G_p找到点v_i,使点v_s到点v_i的距离最小，并将点v_i划归G_p,并赋予一个距离权值d_i＝W_i。接下来以新G_p中的节点作为转接点，计算并修改G-G_p中的W_j。再重复在未置定节点集G-G_p中找到其标值最小的节点并将其加入置定节点中，每完成一个周期都要更新未置定节点标值W_j以便进行下一周期添加，直至所有G_p＝G，所有的节点都被置定。

在其中G_p内的所有置定节点，是指定点v_s到这些节点的路径为最短(即已完成最短路径的计算)的节点。而G-G_p内的节点是未置定节点，即v_s到未置定节点距离是暂时的，随着算法的下一步将进行不断调整，使其成为最短径。在调整各未置定节点的最短径时，是将G_p中的节点作为转接点。

步骤四完成后，每个节点都能够找到到达中心节点的最低能耗路由。

步骤五，网络中的路由已经形成，各节点根据已选出最低能耗路由进行数据传输，在传输过程中，由于个节点能耗速率不同，权值矩阵W是在变化的。因此，每个时间T就要对权值矩阵W进行更新，在权值矩阵更新的同时，检验每个节点的剩余能量，若某个节点的剩余能量低于某一设定好的保护门限值Epro，该节点进入保护模式，执行步骤五一，反之执行步骤五二。

步骤五一，节点进入保护模式，由于能量过低，停止转发其它节点的数据，进入保护模式的节点将其对应的能耗矩阵E中的值全部置为最大值，其他任何节点都不能再通过其向中心节点转发数据。

步骤五二，节点依然处于转发状态，并按照步骤三中的权值公式，更新权值矩阵W中该节点所对应的值。

步骤六，检验网络中每个节点的剩余能量是否高于死亡门限值Edead，若判定该节点死亡，则该节点的信息删除，剩余节点重复步骤二组成新的拓扑结构重新计算路由；若无节点死亡，对更新过的权值矩阵重复执行步骤四中的过程。

本发明改进的加权动态多路径路由算法是根据D算法的思想进行改进而来。改进的D算法来源于D算法本身，融合了无线传感器节点接收数据信息时需要耗能这一特征，针对改进后算法的不足提出了加权的思想，并加入门限值对能耗消耗过快的节点进行双重保护。

D算法可以使节点迅速地找到符合最短路径，但是在传统的D算法应用场景中，一般没有对节点的能量有任何限制，所选取的一般是最短路径。而在无线体域网中，节点的由电池供电，要求网络生存时间长，对节点的能耗要求较高。通过D算法可以迅速高效寻找到最小能耗路径。

在无线体域网中，某些特定节点由于位置关系会承担较重的转发责任，因此能量会快速消耗，在这些关键位置的节点死亡后，整个网络的情况会迅速恶化导致整个网络的实效。在静态路由的基础上考虑使得各节点的能量消耗水平一致，引入适当的加权参数，使得形成的路由随着节点能量的消耗情况作出调整。称为改进动态路由算法。

具体实施例：

图4中所示WBAN由6个节点组成，各节点坐标如表1中所给出。每个节点有其唯一的ID标识。本发明方法的具体实施方式如下：

表1

步骤一，节点1使用洪泛的方法获得网络的初始拓扑结构和与各节点间的距离、能量等信息，了解网络中各节点的初始拓扑结构，各节点的剩余能量和初始能量水平。

步骤二，根据步骤一所获得的拓扑信息，得出网络的距离坐标矩阵

结合体表的电磁波传播模型，通常可认为e_ij＝λd_ij ²，可得出传输能耗矩阵：

步骤三，对步骤二得到的传输能耗矩阵进行加权处理，获得加权传输能耗矩阵E_w＝W^TEW，W为根据节点剩余能量所得到的权值矩阵，权值矩阵W的计算公式为：

其中，节点1为网络中的中心节点，其权值始终为1，e_i表示节点i的剩余能量，α取4。初始权值矩阵为单位阵。因此E_w＝W^TEW。

步骤四，根据所获得加权传输能耗矩阵，通过D算法生成权值矩阵，具体方法为：

已知图G＝(V,E)，将其节点集分为两组：置定节点集G_p＝{v_s}和未置定节点集G-G_p，未置定节点标值：

在G-G_p找到点v_i,使点v_s到点v_i的距离最小，并将点v_i划归G_p,并赋予一个距离权值d_i＝W_i。接下来以新G_p中的节点作为转接点，计算并修改G-G_p中的W_j。再重复在未置定节点集G-G_p中找到其标值最小的节点并将其加入置定节点中，每完成一个周期都要更新未置定节点标值W_j以便进行下一周期添加，直至所有G_p＝G，所有的节点都被置定。

在其中G_p内的所有置定节点，是指定点v_s到这些节点的路径为最短(即已完成最短路径的计算)的节点。而G-G_p内的节点是未置定节点，即v_s到未置定节点距离是暂时的，随着算法的下一步将进行不断调整，使其成为最短径。在调整各未置定节点的最短径时，是将G_p中的节点作为转接点。

对于加权传输能耗矩阵E_w,计算过程如表2所示意的最小能耗路径算法过程：

表2

步骤四完成后，每个节点都能够找到到达中心节点的最低能耗路由。

步骤五，网络中的路由已经形成，各节点根据已选出最低能耗路由进行数据传输，在传输过程中，由于个节点能耗速率不同，权值矩阵W是在变化的。因此，每个时间T就要对权值矩阵W进行更新，在权值矩阵更新的同时，检验每个节点的剩余能量，若某个节点的剩余能量低于某一设定好的保护门限值E_pro，该节点进入保护模式，执行步骤五一，反之执行步骤五二。

步骤五一，节点进入保护模式，由于能量过低，停止转发其它节点的数据，进入保护模式的节点将其对应的能耗矩阵E中的值全部置为最大值，其他任何节点都不能再通过其向中心节点转发数据。

步骤五二，节点依然处于转发状态，并按照步骤三中的权值公式，更新权值矩阵W中该节点所对应的值。

步骤六，检验网络中每个节点的剩余能量是否高于死亡门限值E_dead，若判定该节点死亡，则该节点的信息删除，剩余节点重复步骤三组成新的拓扑结构重新计算路由；若无节点死亡，对更新过的权值矩阵重复执行步骤四中的过程。

Claims (3)

1.无线体域网下基于D算法的动态路由建立方法，其特征是：在无线体域网中，它由以下步骤实现：

步骤一、中心节点使用洪泛的方法获得网络的初始拓扑结构、与各节点间的距离和能量信息，初始化结束之后，中心节点获得如下信息：

网络中各节点的初始拓扑结构、各节点的剩余能量和各节点的初始能量水平；

步骤二、根据步骤一所获得的拓扑信息，得出网络的距离坐标矩阵DD＝{d_ij}，d_ij为节点i与节点j之间距离；

采用体表的电磁波传播模型，将网络的距离坐标矩阵DD转化为传输能耗矩阵E_tran＝{e_ij}，其中，e_ij表示的是节点i向节点j发送数据所需消耗的最低能量值；

步骤三、对步骤二得到的传输能耗矩阵E_tran进行加权处理，获得加权传输能耗矩阵E_w＝W^TE_tranW，W为根据节点剩余能量所得到的权值矩阵，权值矩阵W的计算公式为：

<mrow> <msub> <mi>w</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mn>0</mn> <mo>,</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>i</mi> <mo>&amp;NotEqual;</mo> <mi>j</mi> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mn>1</mn> <mo>,</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <munder> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mo>&amp;NotEqual;</mo> <mn>1</mn> </mrow> </munder> <msub> <mi>e</mi> <mi>k</mi> </msub> </mrow> <msub> <mi>e</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>&amp;alpha;</mi> </mfrac> </msup> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mi>j</mi> <mo>&amp;NotEqual;</mo> <mn>1</mn> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mrow>

其中：设节点1为网络中的中心节点，其权值始终为1，α为常数系数；e_k表示节点k的剩余能量；

步骤四、根据所获得加权传输能耗矩阵E_w，通过D算法计算两节点间的最短传输路径，

具体方法为：

将已知图G＝(V,E)中的节点集分为两组：置定节点集G_p＝{v_s}和未置定节点集G-G_p，未置定节点标值：

e_wsj表示分组后节点s向节点j发送数据所需消耗的最低能量值；在未置定节点集G-G_p中找到节点v_i，使节点v_s到节点v_i的距离最小，并将节点v_i划归置定节点集G_p，并赋予一个距离权值d_i＝W_i；

以新置定节点集G_p中的节点作为转接点，计算并修改未置定节点集G-G_p中的未置定节点标值W_j；

重复在未置定节点集G-G_p中找到其标值最小的节点并将其加入置定节点G_p中，每完成一个周期都要更新未置定节点标值W_j以便进行下一周期添加，直至所有G_p＝G时，所有的节点都被置定；

其中：置定节点集G_p内的所有置定节点：是指定节点v_s到这些节点的路径为最短的节点，即：已完成最短路径的计算的节点；

未置定节点集G-G_p内的节点是未置定节点，即：指定节点v_s到未置定节点距离是暂时的，最终调整成为最短径；在调整各未置定节点的最短径时，是将G_p中的节点作为转接点；

步骤四完成后，每个节点都能够找到到达中心节点的最低能耗路由；

步骤五、完成路由建立，各节点根据已选出最低能耗路由进行数据传输。

2.根据权利要求1所述的无线体域网下基于D算法的动态路由建立方法，其特征在于步骤五中，各节点根据已选出最低能耗路由进行数据传输的过程中，每完成一个时间T，则对权值矩阵W进行一次更新；在权值矩阵W进行更新的同时，检验每个节点的剩余能量；

并逐一判断每个节点的剩余能量低于预设的保护门限值Epro，如果判断结果为是，则执行步骤五一；如果判断结果为否，则执行步骤五二；

步骤五一、节点进入保护模式，由于能量过低，停止转发其它节点的数据，进入保护模式的节点将其对应的能耗矩阵E_tran中的值全部置为最大值，其他任何节点都不能再通过其向中心节点转发数据；

步骤五二、节点处于转发状态，并按照步骤三中的权值公式，更新权值矩阵W中该节点所对应的值。

3.根据权利要求2所述的无线体域网下基于D算法的动态路由建立方法，其特征在于在每个周期下，检验网络中每个节点的剩余能量是否高于死亡门限值Edead，如果判断结果为是，则执行步骤六一；如果判断结果为否，则执行步骤六二；

步骤六一、则该节点死亡，将该节点的信息删除，剩余节点返回步骤二，组成新的拓扑结构重新计算路由；

步骤六二、则无节点死亡，采用更新过的权值矩阵，返回执行步骤四中的过程。