CN104853398A - 树型无线传感器网络的路由优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种树型无线传感器网络的路由优化方法，包括如下步骤：树型拓扑构建：在WSN物理拓扑的基础上，计算节点剩余能量，通过调整簇首门限值T(n)轮换选择簇首，构建树型拓扑结构无线网络；网络地址生成与路径产生：基于节点在树型网路中的位置生成网络地址，并根据网络地址生成任意两个节点间的多跳路由，保障网络中节点之间能够通过多跳的方式发送信息。在经典LEACH协议基础上优化，将剩余能量和节点间距离因素加入到簇首选举算法设计中网络地址生成方法客观反映了节点的空间位置，节点不必维护庞大的路由表，避免了传感器网络频繁更新路由表造成的能量过快损耗，也节省了硬件开销，为节点间的多跳通信提供依据。

Description

树型无线传感器网络的路由优化方法

技术领域

本发明属于无线传感器网络路由领域，具体地涉及一种树型无线传感器网络的路由优化方法，应用到WSN网络中，能提供对大规模无线组网支持，同时有效提高网络路由效率和平均生命周期。

背景技术

无线传感器网络是由部署在监测区域内的传感器节点通过无线通信形成的一个多跳自组织网络系统。它能协作感知采集和处理覆盖区域中感知对象的信息，并传送给观察者。无线传感器网络不需要固定网络的支持，具有展开快速，抗毁性强等优点；被广泛应用于国防军事、国家安全、环境监测、反恐抗灾等领域。

路由机制的设计原理如下：

1、节点网络坐标生成机制

树型网络拓扑生成基于LEACH路由协议，在节点的网络地址生成过程中，协调器首先生成自己的地址，然后发起组网，第一层节点申请加入网络，协调器依次分配相应的网络地址，然后第一层节点在转发组网指令，外围的第二层节点选择最优节点加入，此时第一层节点就是该簇的簇首，簇首节点依次给自己的子节点分配网络地址，以此类推，直到所有节点加入网络。

、基于网络地址的路径生成算法

树型网络模型中生成的网络地址反映了节点在网络中的位置信息。它不仅反映了节点在网络中的第几层，还反映了上层的节点分别是谁，以及自己的子节点有哪些。根据源节点和目标节点的网络地址，可以计算出节点地址的最小父节点，同时也生成了多跳路径。

通常情况下，无线传感器网络中的传感器节点能源有限、存储容量低，计算能力和通信能力均较弱；网络的寿命很大程度上取决于传感器节点能量消耗的快慢。由于在LEACH协议中，簇首的选举没有考虑到节点的剩余能量，使得选出的簇首可能不是最佳簇首；同时，LEACH协议由于没有考虑节点的地理位置，离Sink节点远的簇首能量消耗远远高于离Sink节点近的簇首，容易产生失效节点，导致网络平均生命周期下降。经典LEACH算法中簇首节点位置分布不均匀的问题，大大缩短了网络寿命。因此，开发节能的路由协议对于多媒体无线传感器网络的成功应用来说意义重大。

发明内容

针对经典LEACH算法中簇首节点位置分布不均匀的问题，本发明目的是：提供一种树型无线传感器网络的路由优化方法，是基于LEACH路由协议的优化方法，根据节点在树型网络中的位置生成网络地址，通过网络地址生成路径信息，保障节点间的多跳传输，该方法使节点的能耗更均衡，有利于提高大规模无线传感器网络的寿命。

本发明的技术方案是：

一种树型无线传感器网络的路由优化方法，包括如下步骤：

S01：树型拓扑构建：在WSN物理拓扑的基础上，计算节点剩余能量，通过调整簇首门限值T(n)轮换选择簇首，构建树型拓扑结构无线网络；

S02：网络地址生成与路径产生：基于节点在树型网路中的位置生成网络地址，并根据网络地址生成任意两个节点间的多跳路由，保障网络中节点之间能够通过多跳的方式发送信息。

优选的，所述步骤S01具体包括如下步骤：

S11：每个节点计算自己的当前剩余能量和初始能量，向其它节点广播其能量信息，并记录接收到的网络中其它节点的能量信息；

S12：节点判断自己剩余能量是否小于初始能量的一半，若是，进入步骤3；否则，进入步骤4；

S13：节点通过计算自己与Sink节点的相对距离以及剩余能量计算调整簇首门限值T(n)，选举出离Sink节点较近且剩余能量较多的节点成为簇首；

S14：节点通过计算自己的剩余能量与初始能量的比率，计算调整簇首门限值T(n)，选举出剩余能量较多的节点成为簇首；

：簇首通知网络中其余节点自己被选为簇首；非簇首节点按照设置的参考值选择加入的簇，并告知相应的簇首；

S16：簇首记录簇内节点的数量，当簇内节点数达到预先规定的最大值Nmax时，簇首以广播方式发送“饱和”信息；收到此信息后，尚未加入该簇的节点将选择其它簇加入；其中，Nmax＝K/N，K为每轮通信中簇首的数量，N为网络中剩余节点的数量。

优选的，所述调整簇首门限值T(n)的计算公式为：

其中， 表示节点当前剩余的能量， 表示节点的最初能量， 表示离Sink节点最远的节点与Sink节点间的距离， 表示当前节点与Sink节点间的距离，p为节点成为簇首节点的概率、r为当前轮数，G为电源电压范围的集合。

优选的，所述步骤S02包括如下：

S21：数组arr[d]存储节点的网络地址，协调器将自身网络地址最低位arr[0]置为1，其它位为0，生成协调器的网络地址，并发送组网请求信标帧；

S22：协调器周围的节点根据收到的信标帧中的信号强度值RSSI，如果RSSI大于阈值T，则申请加入网络，否则丢弃信标帧；

S23：如果协调器收到节点的入网请求，则为申请加入的节点分配网络地址，地址分配方法如下，将arr[d]数组的第二位置1，同时第一位还是1，其它位为0，将此地址分配给第一个申请加入的节点，第二个加入的节点将第arr[d]数组的第二位继续加1，以此类推；

S24：第一轮节点地址分配完毕后，此时这些节点是网络的第一层簇首节点，这些节点依次发起组网申请，收到第一层簇首节点组网发起帧的节点记录各个簇首节点的RSSI值，选择最高的申请加入；

S25：第一层簇首节点收到申请加入帧后，为其分配网络地址，具体分配方法如下：将自身网络地址的最高0位置1，分配给第一个申请加入的节点，并依次将此位加1分配给其它申请加入的节点；此时得到网络地址的节点是网络的第二层簇首节点，第二层节点依次转发组网申请，并分配网络地址，形成网络的第三层节点；

S26：以此类推，给整个网络分配地址完毕；

S27：根据源节点和目标节点的网络地址，计算两者的最小父节点；

S28：信息根据源节点的网络地址依次往上层节点发送，直到到达最小父节点，然后根据目标节点的网络地址依次往下层节点发送，直到到达目标节点。

本发明的优点是：

1、该树型网络的生成方法在经典LEACH协议基础上优化，将剩余能量和节点间距离因素加入到簇首选举算法设计中，解决了经典LEACH算法中簇首节点位置分布不均匀的问题，大大提高了网络寿命。

、新的网络地址生成方法客观反映了节点的空间位置，节点不必维护庞大的路由表，避免了传感器网络频繁更新路由表造成的能量过快损耗，也节省了硬件开销，为节点间的多跳通信提供依据。使网络能量消耗更低且能耗分布更均衡，有效延长网络生存周期。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明树型无线传感器网络的路由优化方法的网络拓扑结构示意图；

图2为本发明树型无线传感器网络的路由优化方法的树状拓扑构建算法流程图；

图3为本发明树型无线传感器网络的路由优化方法的网络地址产生流程图；

图4为本发明树型无线传感器网络的路由优化方法的路径生成算法流程图；

图5为本发明树型无线传感器网络的路由优化方法的网络地址分配结果示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

实施例：

本发明的具体实施步骤是通过设计基于LEACH协议的路由算法完成的。它在LEACH协议的基础上进行改进，生成树型网络，并根据节点在网络中的位置生成网络地址，依据网络地址实现了无线传感器节点间的多跳路径。下面具体介绍路由算法的主要设计：树状拓扑构建算法、网络地址产生算法、路径生成方法。

、树状拓扑构建算法

树状拓扑构建算法工作在网络模型建立阶段，如图1所示。它在无线传感器网络物理拓扑的基础上构建结构化网络模型，为结构化路由算法应用打下基础。

由于在LEACH协议中，簇首的选举没有考虑到节点的剩余能量，使得选出的簇首可能不是最佳簇首；同时，LEACH协议由于没有考虑节点的地理位置，离Sink节点远的簇首能量消耗远远高于离Sink节点近的簇首，容易产生失效节点，导致网络平均生命周期下降。考虑到这两方面的问题，新算法将能量消耗因素和节点地理位置因素考虑进来，提出调整簇首门限值T(n)的计算方法，T(n)的计算公式如下：

其中， 表示节点当前剩余的能量，而 表示节点的最初能量， 表示离Sink节点最远的节点与Sink节点间的相对距离， 表示当前节点与Sink节点间的相对距离，p为节点成为簇首节点的概率、r为当前轮数，G为电源电压范围的集合。这样做的目的是为了让当前能量较高的节点成为簇首的概率增大；当节点剩余能量小于一半时，让距离Sink节点较近的节点成为簇首的概率增大。通过这两方面的改进，能够有效地改善网络的健壮性，使得簇首的选取更为合理。

新算法在簇首选举完成后，就开始形成簇。树型拓扑构建算法初始化和构建过程描述如下，算法流程图如图2。

步骤1：每个节点计算自己的当前剩余能量和初始能量，向其它节点广播其能量信息，并记录接收到的网络中其它节点的能量信息。

步骤2：节点判断自己剩余能量是否已经小于初始能量的一半，若是，进入步骤3；否则，进入步骤4。

步骤3：节点通过计算自己与Sink节点的相对距离，结合剩余能量，解出T(n)值，选举出离Sink节点较近且剩余能量较多的节点成为簇首。

步骤4：节点通过计算自己的剩余能量与初始能量比率，解出T(n)值，选举出剩余能量较多的节点成为簇首。

步骤5：簇首通知网络中其余节点自己被选为簇首。

步骤6：非簇首节点按照先前设置好的参考值，例如信噪比、接收信号强度等，来决定它所要加入的簇，并告知相应的簇首。

步骤7：簇首记录簇内节点的数量，当簇内节点数达到预先规定的最大值Nmax时(Nmax＝K/N，K为每轮通信中簇首的数量，N为网络中剩余节点的数量)，簇首以广播方式发送“饱和”信息。收到此信息后，尚未加入该簇的节点将选择其它簇加入。

、网络地址产生与路径选择算法

网络地址产生算法工作在网络模型稳定阶段。它在树型拓扑构建完成后，负责整个网络中节点的地址生成，保障网络中节点之间能够通过多跳的方式发送信息，提供对大规模无线传感器网络应用的支持。设定一个N个节点的无线传感器网络，数组arr[d]维数为d，网络地址产生与路径选择算法流程图如图3和图4所示。

算法具体描述如下：

步骤1：数组arr[d]存储的就是节点的网络地址，协调器将自身网络地址最低位arr[0]置为1，其他位为0，生成协调器的网络地址，并发送组网请求信标帧；

步骤2：协调器周围的节点根据收到的信标帧中的信号强度值RSSI，判断是否申请加入。如果RSSI大于阈值T，则申请加入网络，否则丢弃信标帧；

步骤3：如果协调器收到节点的入网请求，则为申请加入的节点分配网络地址，地址分配方法如下，将arr[d]数组的第二位置1，同时第一位还是1，其他位为0（如果d=8，则分配给此节点的网络地址为0x11000000），将此地址分配给第一个申请加入的节点，第二个加入的节点将第arr[d]数组的第二位继续加1，如果d=8，第二个申请加入的节点得到网络地址为0x12000000，同理，第三个申请加入的节点网络地址为0x13000000；

步骤4：第一轮节点地址分配完毕后，此时这些节点是网络的第一层簇首节点，这些节点依次发起组网申请，收到第一层簇首节点组网发起帧的节点记录各个簇首节点的RSSI值，选择最高的申请加入；

步骤5：第一层簇首节点收到申请加入帧后，为其分配网络地址，具体分配方法如下：将自身网络地址的最高0位置1，分配给第一个申请加入的节点，并依次将此位加1分配给其他申请加入的节点，比如0x12100000，0x12200000；

步骤6：此时得到网络地址的节点是网络的第二层簇首节点，第二层节点依次转发组网申请，并分配网络地址，形成网络的第三层节点；

步骤7：以此类给整个网络分配地址完毕，网络地址分配结果如图5所示；

步骤8:任意两个节点之间需要通信的时候，对比两者网络地址，从最高位到最低位依次比较，直到第一个数值不等的位，那么这一位的上一位就是他们的最小父节点。

步骤9：发送端将信息往其网络地址的上层节点发送，直到到达步骤8中的最小父节点，然后再依据接收端的网络地址，从最小父节点开始往下层节点转发，直到到达目标节点。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (4)

1.一种树型无线传感器网络的路由优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

S01：树型拓扑构建：在WSN物理拓扑的基础上，计算节点剩余能量，通过调整簇首门限值T(n)轮换选择簇首，构建树型拓扑结构无线网络；

S02：网络地址生成与路径产生：基于节点在树型网路中的位置生成网络地址，并根据网络地址生成任意两个节点间的多跳路由，保障网络中节点之间能够通过多跳的方式发送信息。

2.根据权利要求1所述的树型无线传感器网络的路由优化方法，其特征在于，所述步骤S01具体包括如下步骤：

S11：每个节点计算自己的当前剩余能量和初始能量，向其它节点广播其能量信息，并记录接收到的网络中其它节点的能量信息；

S12：节点判断自己剩余能量是否小于初始能量的一半，若是，进入步骤S13；否则，进入步骤S14；

S13：节点通过计算自己与Sink节点的相对距离以及剩余能量计算调整簇首门限值T(n)，选举出离Sink节点较近且剩余能量较多的节点成为簇首；

S14：节点通过计算自己的剩余能量与初始能量的比率，计算调整簇首门限值T(n)，选举出剩余能量较多的节点成为簇首；

S15：簇首通知网络中其余节点自己被选为簇首；非簇首节点按照设置的参考值选择加入的簇，并告知相应的簇首； 

S16：簇首记录簇内节点的数量，当簇内节点数达到预先规定的最大值Nmax时，簇首以广播方式发送“饱和”信息；收到此信息后，尚未加入该簇的节点将选择其它簇加入；其中，Nmax＝K/N，K为每轮通信中簇首的数量，N为网络中剩余节点的数量。

3.根据权利要求1所述的树型无线传感器网络的路由优化方法，其特征在于，所述调整簇首门限值T(n)的计算公式为：

其中，表示节点当前剩余的能量，表示节点的最初能量，表示离Sink节点最远的节点与Sink节点间的距离，表示当前节点与Sink节点间的距离，p为节点成为簇首节点的概率、r为当前轮数，G为电源电压范围的集合。

4.根据权利要求1所述的树型无线传感器网络的路由优化方法，其特征在于，所述步骤S02包括如下：

S21：数组arr[d]存储节点的网络地址，协调器将自身网络地址最低位arr[0]置为1，其它位为0，生成协调器的网络地址，并发送组网请求信标帧；

S22：协调器周围的节点根据收到的信标帧中的信号强度值RSSI，如果RSSI大于阈值T，则申请加入网络，否则丢弃信标帧；

S23：如果协调器收到节点的入网请求，则为申请加入的节点分配网络地址，地址分配方法如下，将arr[d]数组的第二位置1，同时第一位还是1，其它位为0，将此地址分配给第一个申请加入的节点，第二个加入的节点将第arr[d]数组的第二位继续加1，以此类推；

S24：第一轮节点地址分配完毕后，此时这些节点是网络的第一层簇首节点，这些节点依次发起组网申请，收到第一层簇首节点组网发起帧的节点记录各个簇首节点的RSSI值，选择最高的申请加入；

S25：第一层簇首节点收到申请加入帧后，为其分配网络地址，具体分配方法如下：将自身网络地址的最高0位置1，分配给第一个申请加入的节点，并依次将此位加1分配给其它申请加入的节点；此时得到网络地址的节点是网络的第二层簇首节点，第二层节点依次转发组网申请，并分配网络地址，形成网络的第三层节点；

S26：以此类推，给整个网络分配地址完毕；

S27：根据源节点和目标节点的网络地址，计算两者的最小父节点；

S28：信息根据源节点的网络地址依次往上层节点发送，直到到达最小父节点，然后根据目标节点的网络地址依次往下层节点发送，直到到达目标节点。