[发明专利]适用于无线光传感器网络的拓扑形成和路由方法

摘要

本发明提出了一种适用于无线光传感器网络的拓扑形成和路由方法，用于解决现有技术中存在的能量损耗不均衡和网络生存时间短的技术问题，实现步骤为：根据节点生成的随机数选举簇头节点；通过簇头节点和基站，普通节点之间的信息交互，建立簇结构；簇头节点汇聚普通节点的数据，并以单跳或者多跳的形式传输至基站；簇头节点监测其每一时隙下的剩余能量，为下一次簇头选举构建备选节点集合；实现无线光传感器网络拓扑路由特性。本发明基于能量模型优化簇头选举备选节点集合，平衡网络能量损耗，并且引入多跳机制路由机制，克服节点与基站距离受限问题，提高网络生存时间，可用于对能量平衡和生存时间有较高要求的无线光通信传感器网络。

主权项

1.一种基于能量模型的无线光传感器网络的拓扑路由方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)无线光传感器网络中的每个节点利用邻居发现算法，寻找自身的邻居节点，并将找到的邻居节点储存到邻居路由表中；(2)计算无线光传感器网络簇头节点的选举阈值T(n)：其中，p为簇头节点期望的百分比，r为当前执行的轮数，G为备选节点集合；(3)无线光传感器网络中的每个节点随机生成0到1之间的随机数，并将比簇头节点选举阈值T(n)小的随机数对应的节点作为簇头节点；(4)每个簇头节点将包含自身信息的消息，根据邻居路由表向其不同的邻居节点广播，其中消息包含簇头节点的编号ID和位置P_i(X_i,Y_i)、其它簇头节点编号ID的集合CH_i、簇头节点与其它簇头节点之间距离的集合CHD_i、簇头节点剩余能量E₁以及簇头节点与基站之间的距离CHB_i；(5)当簇头节点的邻居节点是簇头节点时，邻居节点将收到消息中的簇头节点编号ID添加到该邻居节点的集合CH_i中，并计算其与收到消息中的簇头节点之间的距离，再将距离值添加到该邻居节点的集合CHD_i中；(6)当簇头节点的邻居节点是普通节点时，邻居节点检查路由表中是否存在收到消息中簇头节点的最小跳数，若是，将该最小跳数设为备选路径参数，否则，则将收到的消息添加为最短路径参数，并存储到该普通节点的路由表中；(7)普通节点向距离自身最近的簇头节点发送请求消息，并加入到簇头节点中，实现无线光传感器网络簇结构的建立；(8)每个簇结构中的簇头节点采用一跳或者多跳的形式，将包含自身信息的消息发送给基站；(9)基站将接收到的各簇头节点的消息记录到基站路由表中，并从该路由表中选出各簇头节点与基站之间的距离CHB_i的最小值，并将选出的最小值对应的簇头节点作为其传输信息的下一跳簇头节点；(10)基站的下一跳簇头节点选出其与其他簇头节点之间的距离CHB_i的最小值，并将选出的最小值对应的簇头节点作为其传输信息的下一跳簇头节点；(11)根据步骤(10)，依次遍历所有簇头节点，直到所有簇头节点都可以获取到达基站的最优路径；(12)无线光传感器网络的簇结构中每个簇内的所有普通节点，依据其簇头节点分派的TDMA时隙，将数据发送到相应的簇头节点；(13)每个簇头节点按照步骤(11)获取的最优路径，将普通节点的数据发送给基站；(14)根据无线电能量模型以及接收机能量损耗模型推导出簇头节点发射数据的能量损耗E_PX和其对应的接收机的能量损耗E_RX，以及簇头传感器节点发送数据所需的总能量E_TX：E_RX＝mE_R其中，m表示发送比特数，ε表示自由空间能量系数，即传送每比特数据所损耗的能量，表示激光扫描角度，d表示传输距离，E_R表示接收每比特数据所损耗的能量，E_{TX_PE}(m)表示包括光电子器件编码、调制、滤波以及信号的传播的损耗能量；由此可得簇头节点的能量公式E₁：其中E₁表示簇头节点的剩余能量，E₀表示簇头节点的初始能量，n表示簇结构内部普通节点的个数，E_{TX_PE}(m_i)表示第i个普通节点中光电子器件所消耗的能量，m_i表示第i个普通节点所发数据的比特数，d_i表示第i个普通节点距簇头节点的距离；(15)设置无线光传感器网络簇头节点能量的阈值E_th，每个簇头节点根据推导出的能量公式E₁，将其每一时隙下自身剩余能量储存到自身节点中，当E₁值低于能量的阈值E_th时，将该簇头节点从备选节点集合G中剔除，实现无线光传感器网络的拓扑路由特性。