[发明专利]一种基于功率异构无线传感器网络的分簇路由方法

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术领域，特别涉及一种基于功率异构无线传感器网络的 分簇路由方法。

背景技术

随着物联网的日益兴起，无线传感器网络广泛应用于军事、环境监测、智能家居、 城市交通、空间探索和仓库管理等领域。无线传感器网络作为当今信息领域的研究热点， 涉及多个学科，有许多关键技术有待发现和研究，其中网络拓扑控制具有特别意义，通 过拓扑控制自动形成的良好的网络拓扑结构，能够大幅提高路由协议和MAC协议的效 率。层次型的拓扑结构具有很多优点，例如，由簇头节点担负数据融合的任务，减少了 数据通信量；分簇式的拓扑结构有利于分布式算法的应用，适合大规模部署的网络；由 于大部分节点在相当长的时间内关闭通信模块，所以显著地延长整个网络的生存时间。 好的路由协议能够大幅提高无线传感器网络的性能。

LEACH算法是同构无线传感器网络中一种经典的层次性分簇路由算法，它的执行过 程是周期性的，每轮循环分为簇的建立阶段和稳定的数据通信阶段。在簇的建立阶段， 相邻节点动态地形成簇，随机产生簇头；在数据通信阶段，簇内节点把数据发送给簇头， 簇头进行数据融合并把结果发送给汇聚节点。由于簇头需要完成数据融合、与汇聚节点 通信等工作，所以能量消耗大。LEACH算法能够保证各节点等概率地担任簇头，使得网 络中的节点相对均衡地消耗能量。

随着研究的深入以及传感器网络应用范围不断的扩大，传统的无线传感器网络逐渐 不能满足实际应用的要求，引入异构节点的异构无线传感器网络在实际中应用得越来越 多，其中功率异构是一种比较常见的异构类型。节点的功率异构主要表现在以下两个方 面。第一，节点通信模块因为采用不同的信号调制等物理层技术或者不同芯片设计工艺 等，导致在发送同等距离和速率信号时，通信模块消耗的功率不同。第二，同一通信模 块可能有几种模式，不同的模式发射距离和速率不相同，通信模块消耗的功率也不同。

考虑到功率异构网络中存在两种功率不同的节点，LEACH算法中所规定的相同概率的簇 头选举方式不能保证两种节点能量消耗速率一致，从而使得高级节点即使功率较大却仍然需 要承担相同的簇头任务进行数据搜集和远距离发送。显而易见，这种选举方式将使得高级节 点先于普通节点死亡，从而降低网络稳定期。所以，LEACH算法的选举机制并不适用于功率 异构网络。

因此，需要一种新的分簇路由方法来应对功率异构无线传感器网络带来的变化。

发明内容

本发明旨在提供一种基于功率异构无线传感器网络的分簇路由方法，以延长网络稳 定期并且提高网络吞吐率。

本发明提供了一种基于功率异构无线传感器网络的分簇路由方法，包括异构节点、 基站节点以及所述异构节点所在的网络区域，所述异构节点包括普通节点和高级节点， 所述普通节点和高级节点与基站节点之间的通信过程按轮次周期性地依次进行，所述普 通节点和高级节点在每个所述轮次先进行簇头选举，还包括根据所述网络区域中每一轮 的能量消耗计算出最佳簇头个数，再根据所述普通节点和高级节点功率的比值及所述最 佳簇头个数计算出各自当选最佳簇头的概率。

进一步地，所述最佳簇头个数的计算过程包括：S11.分别计算每一轮中普通节点和 高级节点充当簇头节点或非簇头节点的能量消耗，将所述能量消耗相加得到每一轮网络 能量总消耗；S12.对每一轮网络能量总消耗求导，计算出最佳簇头个数k_opt。

进一步地，所述普通节点和高级节点各自当选最佳簇头概率的计算过程包括：S21.通过所述最佳簇头个数k_opt可以求出最佳簇头概率p_opt，p_opt＝k_opt/n，其中n是网络中节点个数；S22.所述普通节点当选簇头的概率为p_nrm，其中β为功率异构网络的影响因子，m为高级节点占所有节点的比例；S23.所述高级节点当选簇头的概率为p_adv，

进一步地，所述功率异构网络的影响因子β可以通过所述最佳簇头个数k_opt求得，其中h是所述高级节点比所述普通节点功率高的倍数。

进一步地，所述高级节点的功率比普通节点的功率高。

进一步地，所述普通节点和所述高级节点功率可以相同。

进一步地，所述普通节点和所述高级节点具有相同的网络稳定期。