[发明专利]一种高能效的环形无线传感器网络多跳分簇路由方法

说明书

本发明涉及一种无线传感器网络路由方法，特别是一种高能效的环形无线传感器网络多跳分簇路由方法EMRA（Energy‑balanced Multi‑hop Routing Algorithm for ring wireless sensor network），该方法包含网络模型、簇管理节点和簇头选举、路由确定三个部分，基于环形无线传感器网络，构建了基于节点剩余能量以及节点到基站的距离的簇管理节点选举权值函数，以及基于节点剩余能量、节点到簇管理节点与簇管理节点到基站距离比的簇头选举权值函数，函数大的节点分别成为簇管理节点和簇头。采用簇头到簇管理节点、簇管理节点到簇管理节点或基站的多跳方式，形成最短的到基站的路由路径，从而提高网络能量效率，延长网络生命周期。

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络路由方法，特别是一种高能效的环形无线传感器网络多跳分簇路由方法EMRA(Energy-balancedMulti-hop clustering RoutingAlgorithm for ring wireless sensor network)，它通过选举簇头管理节点来减轻簇头节点负荷，并通过多跳方式来进行数据传输，从而提高网络能量效率，延长网络生命周期。

背景技术

近年来随着物联网、人工智能的发展，无线传感器网络WSNs(Wireless SensorNetworks)已成为研究热点，其主要应用于医疗检测，环境监测，军事防御等不同领域。无线传感器网络有大量节点构成，且每个节点的功率、存储以及计算能力受到限制，主要是节点通常采用微型电池供电，且节点往往部署在恶劣的环境，难以替换电池。无线传感器网络路由协议是无线传感器网络的核心技术，如何通过有效的路由算法减少网络通信能耗和延长网络生命周期已经成为无线传感器网络面临的重要挑战。

路由算法主要有平面路由和分层路由协议两类，LEACH协议作为经典的分层路由协议，其将网络划分为若干大小不同的簇，每一个簇中有一个簇头(CH，Cluster Head),每个簇中的成员节点把信息数据发送到簇头，每个簇头通过单跳将数据发送到基站(BS，BaseStation)。而且各节点轮流担当簇头，使得网络中能量消耗尽量均衡。但LEACH随机选举簇头，容易使剩余能量低的节点成为簇头过早死亡。此外，簇头以单跳的方式将数据发送到基站，容易导致离基站远的簇头过早死亡。因此，一些改进的LEACH算法陆续被提出来解决LEACH存在的缺陷，其中一些算法将网络划分为若干环，并将每个环划分为若干簇，每个簇选举产生一个簇头，并建立从簇头节点到基站的单跳或多跳路由，有效地均衡各节点的能量消耗，延长网络生命周期。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对LEACH随机簇头选举以及单跳导致的能量效率低问题，考量节点的剩余能量、节点与基站的距离、节点与簇管理节点的距离以及簇管理节点与基站的距离来构建不同的权值函数，从而选举合适的簇头和簇管理节点(CM，ClusterManager)共同承担数据融合和数据转发任务，并基于与基站最短路径通过多跳方式实现数据传输，有效提高了网络能量效率，延长了网络的生命周期。

本发明一种高能效的环形无线传感器网络多跳分簇路由方法EMRA由三个部分构成，即网络模型、簇管理节点和簇头选举、路由确定。网络模型具体为环形网络，即在基站位于中心的圆形目标区域，将其划分成多个同心环，节点分布在各个环内，且所有节点向网络中唯一的基站传输数据，节点能量采用自由空间模型计算。簇管理节点和簇头选举是为了选出簇中最优的节点簇管理节点和次优的节点簇头来分别承担数据转发和数据融合任务，考虑了节点的剩余能量、节点到基站的距离、节点到簇管理节点的距离、簇管理节点到基站的距离。路由确定是为了寻找与基站最短的多跳路径，簇头融合完簇普通节点数据后将数据传输给距离自身最近的内环簇管理节点，该簇管理节点依次把数据转发给距离其最近的内环管理节点，直至到基站。

所述的网络模型为环形网络，即在基站BS位于中心且半径为R的圆形目标区域，将该圆形目标区域划分成b个同心环，n个节点分布在各环中，所有节点具有相同的初始能量和相同的通信半径以及相同的传输速率。节点的能耗采用自由空间模型计算，具体包括发送数据、接收数据以及融合数据消耗的能量。