[发明专利]基于智能天线和动态虚拟簇的均衡节能路由方法

说明书

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，为接收功率，为发送功率，为传输信号的波长，为衰减指数；若设定，对于智能天线而言，有：

        

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，其表面积可以用球冠表面积计算，为；在接收节点收到信号后，只有大于解码阈值，才能对其正确接收和解码，这就要求发送功率满足如下条件：

        

发送功率一般不能连续改变，为了提高发射功率，将发送功率间隔的分成个等级，等级间隔为；在确定实际发送功率的时候，取：

  

其中，表示发送节点的第个功率等级；表示大于等于的最小整数；

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，接收能耗为，  、分别表示全向天线智能天线在功率下的发射距离，那么智能天线发送一个长度为比特的数据包的能耗为：

    

发送一个数据包的能耗只与收发节点之间的距离有关，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：，因此，如果采用全向天线将同样的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，用表示，以为圆心，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，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，如果内没有任何节点，称为“簇内真空”，且，就将波束宽度值更新为，表示智能天线的波束宽度变化增量，然后以为圆心、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号存储在一个的“簇身份矩阵”中，它的每一行表示一个节点的[簇ID，节点ID]，共有个簇内节点；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；