[发明专利]一种基于冗余控制和分簇路由的无线传感网节能方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于冗余控制和分簇路由的无线传感网节能方法，涉及冗余节点控制、网络分簇和簇间路由，尤其是一种结合基于冗余节点控制和能耗均衡簇间路由的无线传感网节能方法，用于提高节点能量效率并节省无线传感网整体能耗，进而延长其生存时间，属于无线传感网技术领域。

背景技术

无线传感网（Wireless Sensor Network, WSN），也称无线传感器网络，由大量具有计算和通信能力的价廉传感节点相互协作构成。WSN在工业控制、绿色农业、环境监测、战场监控、智能家居和抢险救灾等领域的应用越来越广泛。WSN部署环境常常较特殊，如野外、战场、科考、救灾环境，常常采用节点随机撒布的方式进行布置。传感节点需要协作运行来完成某项任务，并根据网络的规模选用合适的路由协议来传递传感信息。由于传感节点需长时间持续工作并且很难对节点充电以及受其成本和体积的限制，节能始终是WSN需要高度重视的问题，是确保WSN服务性能的重要条件之一。此外，WSN节点的计算能力往往很有限，从应用角度来讲，需重视提高WSN的工作效率，避免出现过多的数据冲突和过量的信息冗余，并尽量优化信息传输路径。

WSN中传感节点负责感知监测其覆盖范围内的环境信息，理想情况下覆盖范围为圆形区域，其半径称为传感半径或覆盖半径。在布尔覆盖模型下，传感节点可以完全感知其覆盖范围内的环境信息；而在概率覆盖模型下，传感节点只能以一定概率感知其覆盖范围内的环境信息。另一方面，节点的通信功率通常可调整，节点间相互能够进行有效通信的最大距离称为通信距离。理想情况下，节点的通信范围也为一圆形区域，通信距离即为通信半径。现有研究工作一般采用布尔覆盖模型，并且节点的通信半径往往大于或等于其覆盖半径。

WSN的覆盖性是指监控区域被节点监控到的范围和比例，连通性是指WSN中节点相互之间能否连通（直接或间接通信）。覆盖性关系到网络能否实现监控功能，连通性关系到网络中数据和命令能否正常传递。冗余节点是指节点休眠后不会影响网络覆盖性和连通性的那部分节点。采用合适的冗余控制算法找到WSN中的冗余节点并使之休眠，可以减少数据冲突、提高有用信息比例，节省能量，延长网络的生存时间。

当前，为了节省无线传感网能量提出的节点冗余控制算法大都属于确定性算法，前提条件要求较多，计算复杂度较高。例如，动态发射功率控制算法需要首先检测每个节点的邻居节点数，然后调整节点发射功率，以使邻居节点数保持在合理的范围，但它并不能很好控制网络的覆盖冗余度。覆盖配置协议（CCP）可以在保持网络连通性的情况下调整网络覆盖度，但CCP协议的计算复杂度为O(d³)（d为最大感知区域中的节点数量），计算复杂度高，并且也没有考虑节点休眠机制。域主宰集（ADS）协议可以构造一个全覆盖且兼顾能量效率的网络，但该算法是集中式算法，不适用于大规模分布式WSN，并且其计算复杂度也为O(d³)。优化几何密度控制(OGDC)算法可以配置一个全覆盖和全连通的网络，但算法执行时间较长并且执行结果的随机性较大。

除了对网络冗余度进行合理控制外，设计合理高效的分簇路由协议有助于减少投递业务量、通信冲突和传播时延，进而均衡节点能耗和提高节点能量效率，从而延长网络寿命。分簇多跳路由协议利用分簇结构进行网络局部管理和数据处理，减少了协议复杂性和数据通信量，相比于平面单跳路由具有更好的适应性和节能性。

例如，基于簇的路由协议（CBRP）协议基于最小节点 ID选举簇头进行分簇，然后在簇头间选择路由，该协议实现方便且收敛较快，但没有考虑负载平衡问题。低能量自适应分层分簇协议（LEACH）是一个典型的WSN分簇路由协议，LEACH协议中节点成为簇头的概率与节点数、簇头比例和轮数有关，并且具有一定的随机性。LEACH协议可以保证每个节点都有机会成为簇头，从而均衡了能耗。选举簇头后，当需要投递数据时簇内节点先将数据发给簇头，然后由簇头直接一跳将数据转发给Sink。LEACH将整个网络的能量负载近似均匀地分配到每个传感节点，从而达到降低网络能耗、提高网络整体生存时间的目的。E_LEACH协议选择下一跳中继节点时选择距离最近的节点，基于不均匀分簇的LEACH协议考虑当中继簇头与Sink距离较近时，将数据直接传输给Sink。但是，这些分簇路由算法均没有考虑数据传输的方向性。基于分层的多跳分簇路由算法（LBMC）采用环形分层机制使簇头概率随距离变化，越靠近Sink的层内簇头比例越高以减轻中继负担，但这种分层方法不符合网络实际部署情况。基于时间片的分簇算法通过定期重新分簇的方法来均衡能耗，但没有结合路由算法来设置分簇的轮转周期。