[发明专利]基于跨层优化的自适应无线传感器网络路由方法

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，特别是涉及一种基于跨层优化的自适应无线传感器网络路由方法，属于无线传感器网络技术领域。

背景技术

随着微机电技术、传感器技术、通信技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和网络技术的发展，易分布、低功耗的无线传感器网(Wireless Sensor Networks, WSNs)研究在世界范围内越来越受到重视，在工业控制、环境检测、医疗监护、交通运输、抢险救灾等诸多领域有着广阔的应用前景。无线自组传感器网络通常由大量具有信息采集、数据处理和转发路由功能的节点组成，通过无线多跳通信方式形成无线自组传感网络系统，其具有易部署、自组织、监测精度高、容错性高、覆盖区域大、可远程监控等优点。缺点是，能量受限、资源受限、拓扑变化频繁等，无线传感器网络面临着独特的技术挑战。传统的路由方法不能适应WSNs，如传统的最短路径准则设计无线多跳网络的路由协议没有考虑到其下层物理信道特性的变化对MAC层接入性能的影响等因素，造成所选路径无法适应底层性能的变化，即传输延时、吞吐量和可靠性等性能无法达到理想的指标，因此，必须设计与之相应的简单、有效的路由方法。即在设计优化的路由方法时，不仅要考虑网络层的相关参数，而且应该考虑其它层的相关参数，如网络层可以把物理层的能量信息等参数作为路由选择的判断依据，从而使网络各层共享与其它层相关的信息，对无线网络进行整体优化设计。

由于无线传感器网络内外环境的动态变化，如拓扑结构变化、剩余能量改变等因素，无线传感器网络的路由方法必须能够自适应网络环境。因为拓扑控制、能量管理、低功耗设计等在各层设计中都有所体现，但要使整个网络数据传输、寿命达到最优，还需设计出能够适应各层参数动态变化的跨层优化路由方法。

发明内容

本发明的主要目的在于，克服现有的无线传感器网络的路由方法存在的缺陷，而提供一种新型的基于跨层优化的自适应无线传感器网络路由方法，所要解决的技术问题是使其适应各层参数动态变化，更优化无线传感器网络的设计以及数据的传输，使整个网络数据传输、寿命达到最优，从而更加适于实用，且具有产业上的利用价值。

本发明解决上述问题的技术方案是：将拓扑控制机制、睡眠调度机制与网络层数据传输相结合，提出了一种结合了物理层、MAC层和网络层的跨层优化路由方法TPGFPlus，来解决无线传感器网络中能量受限与数据传输的可靠性、实时性问题。在无线传感器网络中，首先将物理层的发射功率、能量状况等参数信息传递到MAC层，MAC层利用这些信息进行睡眠调度，从而调控网络连通性与睡眠率。然后，网络层适应以上各层的参数变化进行路由选择。所述无线传感器网络包括基站和多个无线传感器普通节点，所有节点都是随机分布且静止不动的，除基站具有充足的能量外所有普通节点能量均有限，所述普通节点都带有能量收集装置用以补充自身能量且其无线发射功率可控。

跨层优化路由方法具体实施过程包含以下步骤：

（1）物理层采用能量补充与功率控制机制将无线传感器网络中的无线传感器节点的能量信息与发射功率参数传递给MAC层，能量补充与功率控制机制为：无线传感器节点通过带有的补充能量的能量收集装置为自身充电，并根据自身能量状况调整其发射功率；

（2）MAC层利用物理层传递的信息进行睡眠调度，调控网络连通性与睡眠率，睡眠调度方法为：传感器节点根据自身能量状况协同进行周期性活跃与睡眠的状态切换；

（3）网络层适应以上各层的参数变化采用两跳贪婪路进行路由选择。

所述能量收集装置采用太阳能取电、温差取电或依赖机械运动引发能量转换技术产生电能为所述无线传感器补充能量。每个节点都有一个唯一的网络地址，每个节点可以获取基站和自己的一跳、两跳邻居节点的位置信息，以及一跳、两跳邻居节点的能量信息。如果某节点当前能量水平高于某一设定值                                               时，可增大自身发射功率，调节网络拓扑结构，进而影响网络睡眠率与路由选择。

根据能量信息，节点占空比机制周期性地调节自身所处状态，调整网络连通性与睡眠率。每个节点周期性地先唤醒，进入活跃状态，和邻居节点进行通信然后进行睡眠判断，如果当前能量水平低于设定值时，当前节点状态设为睡眠，否则设为活跃，直到下一周期的开始。低能量节点通过进入低功耗的睡眠状态，可以为自身提供足够的时间进行能量补充，同时也避免了因部分节点能量消耗殆尽而造成的网络漏洞，保证数据的可靠性传输。在活跃状态下，节点可能保持监听，也可能发送数据。