[发明专利]一种能量高效的无线传感器网络路由方法

说明书

技术领域

本发明属于无线传感器网络通信技术领域，具体是利用生物学中蚁群算法的基本原理，提出一种能量高效的无线传感器网络(WSN)路由协议，解决资源受限的无线传感器网络的高效路由问题，此路由协议适合于分层的无线传感器网络。在数据传输过程中，应用此路由协议能够减少无线传感器网络的能量消耗，平衡网络各个节点之间的能量消耗，防止部分节点因能量消耗过快而死亡，延长网络的生命周期。

背景技术

短距离无线通信、微电子与传感器技术的发展使得传感器网络技术取得了巨大的进步。传感器信息获取技术已经从过去的单一化渐渐向集成化、微型化和网络化方向发展，并带来一场新的信息技术革命。无线传感器网络是由多学科高度交叉而形成的新兴前沿研究热点领域，其综合了传感器技术、嵌入式计算技术、无线通信技术、分布式信息处理技术等。传感器网络通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知、采集和处理各种环境或监测对象的信息；传感器节点自组成网，以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端，从而真正实现“无处不在的计算”。

无线传感器网络可以用于监控温度、湿度、压力、土壤构成、噪声、机械应力等多种环境参数，使用户可以深入的了解和把握周围的环境信息。无线传感器网络的随机部署、自组织、环境适应性等特点使其在军事国防、环境监测、生物医疗、抢险救灾以及商业应用等领域具有广阔的应用前景和较高的应用价值。另外，在空间搜索和灾难拯救等特殊领域，无线传感器网络也有其得天独厚的技术优势。

在无线传感器网络中，存在一个或多个节点充当数据汇聚点(Sink节点)，网络中传感器节点收集数据，并通过多跳的方式传送到Sink节点，Sink节点将收集到的数据通过有线或无线的方式传送给用户。在通信方式上，无线电、红外、声波等多种无线通信技术的发展为传感器间通信提供了多种选择，尤其是以IEEE802.15.4为代表的短距离无线电通信标准的出现，为无线传感器网络的发展奠定了坚实的基础。

路由技术是无线传感器网络的核心技术。从路由的角度看，无线传感器网络有其自身的特点，既不同于传统网络，又不同于移动自组网(Mobile Ad hoc Network，MANET)。与传统无线网络相比，无线传感器网络体系结构、编址方法和通信协议不同于Internet；传感器网络路由协议面向多到一的数据流和一到多的控制流，而非任意源和目的对之间的数据传输；传输过程中采用数据融合方式，其路由以数据而非报文为中心；节点的移动性较低，但由于节点死亡、新节点加入以及节点睡眠和活动状态切换使得网络拓扑动态变化。与Ad hoc网络相比，无线传感器网络的移动性较弱，但能量约束更强，节点更容易死亡。无线传感器网络路由协议设计的主要优化目标是减少能量消耗和保持节点能量消耗均衡，提高网络生命周期。

传统的无线网络路由协议的设计以避免网络拥塞、保持网络的连通性和提高网络服务质量为主要目标。在路由实现中，首先利用网络层定义的逻辑上地址来区别不同节点以便实现数据交换，然后通过路由选择算法决定到达目的地的最佳路径。与传统无线网络相比，虽然WSN具有与无线自组织网络相似的特征，但在网络特点、通信模型和数据传输需求方面却与传统无线网络有着很大不同。这主要表现在：

(1)无线传感器网络节点能量受限，网络中的每个操作、计算以及相互间的通信都会消耗电池能量，一旦某些节点特别是一些关键节点因能量耗尽而死亡，将会影响到整个网络的连通性以及整个监测任务的顺利进行。

(2)无线传感器网络是以数据为中心的网络。传感器网络是任务型网络，节点数量大，且随机分布，每个传感器节点没有全局唯一的标识或地址。

(3)无线传感器网络相邻节点的数据存在信息冗余，需要采用一定的信息融合来减少数据发送量，节省网络资源。

(4)频繁变化的拓扑结构。传感器节点因能量消耗或者人为破坏而死亡，新节点的加入，节点在睡眠与工作状态之间切换，部分节点的移动等因素使得网络拓扑结构频繁变化。

(5)在无线传感器网络中，传感器节点和物理环境交互密切，WSN的通信构架及其所提供的服务都是针对每个特定的应用而设计的。WSN数据在传输过程中，中间传感器节点需要针对特定应用，对来自其他节点的转发数据以及自身采集的数据进行融合，缓存和转发。

综上所述，传统的无线网络路由协议不适合在无线传感器网络。本发明针对传感器网络的自身特性，设计无线传感器网络路由方法。无线传感器网络的路由协议应该满足以下条件：

(1)能源有效性