[发明专利]一种能量均衡消耗的路由方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术领域中的路由方法，特别是一种采用混合势能场以实现能量均衡消耗的路由方法，本发明通过对能量偏低节点的保护、合理分担网络负载，可有效地延长网络运行中能源的使用寿命。

背景技术

近年来，物联网（Internet of Thing,IOT）是一个炙手可热的话题。作为物联网关键技术之一的无线传感器网络（Wireless Sensor Networks,WSNs），在物联网产业化的浪潮中也得到了快速的发展。作为一门融合了智能传感、无线通信、嵌入式系统等多门技术的新兴的信息获取和处理技术，作为信息采集的无线传感器网络在军事通信、环境监测、医疗健康、空间探测、智能家居等领域都有广阔的应用前景。

在无线传感器网络中，各节点均依靠电池供电，以电池作为能源。而传感器节点的部署区域坏境复杂，甚至有些节点位置人员到达困难，频繁更换电池无疑将加大网络的管理和运行成本。因此如何实现能源的均衡、高效利用也就成了研究的热点。

均衡节点的能量消耗是节约能源的一个重要措施，能量的均衡消耗可最大限度地延长网络的运行周期，这也成为了无线传感网路由协议设计的最基本的原则之一。大部分现存的路由协议都是试图找到将数据传给汇聚节点消耗能量最少的路径（即最短路径），但基于这样的路由协议，数据包传输时将会造成路径的多次重复选择、而使该路径上的节点成为转发中的重负载节点，同时也加快了该路径上各节点的能量消耗；而当一些关键节点一旦能量耗尽、则可能导致网络的瘫痪，例如，能量耗尽的节点将网络隔离成两个或多个互相不可达的区域，导致网络出现通信的盲区。这时，虽然大多数节点仍然能够正常工作，但是从总体上说，网络已经无法满足用户的要求，从而使网络处于失效状态。这种由于能量消耗的不均衡性大大地缩短了网络的运行周期，提高了运行的成本。

近几年来，随着国内外无线传感器网络路由协议的研究发展，许多学者在能量均衡方面也进行了尝试和研究，提出了许多改进算法或新的协议。如文献《无线传感器网络中关于数据收集的能量均衡路由算法》（Fengyuan Ren;Jiao Zhang;Tao He;Chuang Lin;Ren,S.K.D.“Energy-balanced routing protocol for data gathering in wireless sensor networks,”IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems,vol.22,no.12,2011,Page(s):2108-2125.）中所公开的路由算法即属于此类通过建立混合势能场来实现全局能量均衡消耗的技术，该方法借鉴经典物理学中势能场的概念建立了深度势能场、剩余能量势能场和能量密度势能场；其中：

深度势能场定义为V_d(i,t)＝1/[D（i,t）+1]、式中D(i,t)表示节点i在时刻t的深度；剩余能量势能场定义为V_e(i,t)＝E(i,t)、式中E(i,t)表示节点i在时刻t的剩余能量；能量密度势能场定义为式中ED(i,t)表示节点i在时刻t的能量密度、j表示节点i的邻居节点、s(i)表示节点i通信区域面积。在归一化条件下，把三个场组合在一起，建成一个混合势能场，并用α、β和1-（α+β）三个参数来分别表示各相应势能场在混合场中的权重，其混合势能场则为V_m(i,t)＝(1-α-β)V_d(i,t)+αV_e(i,t)+βV_ed(i,t)（0≤α≤1∪0≤β≤1），在该混合势能场中，节点i与邻居节点j的势能差则为U_m(i,j,t)＝V_m(j,t)-V_m(i,t)。最终在混合场的中选择邻居节点中势能差最大的节点作为数据传输中的下一跳节点。该传感器网络运行方法如下：

步骤1.网络初始化:首先给网络中除汇聚节点外的各节点分别分配一网络地址并建立路由表，然后将汇聚节点的深度值设置成0，而将其余各节点的深度值、剩余能量值以及能量密度值分别初始化成任一固定值；

步骤2.发送汇聚节点深度值：运行时汇聚节点将步骤1中设置的深度值0发送至所有第一跳节点；