[发明专利]一种基于分簇结构的ZigBee网络能量均衡路由方法

摘要

本发明请求保护一种基于分簇结构的能量均衡ZigBee网络路由方法，该方法在原有簇树结构的基础上选取簇头，以此获取含有各簇相对位置的邻簇序列。路由发现过程中，节点通过邻簇序列判断RREQ消息的转发方向和转发范围，从而限制RREQ消息的转发次数，降低网络总能量消耗。同时，在目的节点进行路径选择时，综合考虑各路径的跳数、最小节点剩余能量两个因素，避开节点剩余能量较小的节点，有效均衡节点间流量负载，从而协调节点间的能量消耗，延长网络生存时间。

主权项

一种基于分簇结构的ZigBee网络能量均衡路由方法，其特征在于：包括网络成簇阶段和路由发现阶段，其中网络成簇阶段具体包括以下步骤：101、协调器节点建立ZigBee网络，其它节点请求加入ZigBee网络，并在加入网络时分别建立自身的邻居表；102、获取步骤101中建立的ZigBee网络的簇树拓扑结构，并将网络分成N个簇，其中N为协调器节点的子节点数目；103、对步骤102分成的每个簇根据簇头选举策略进行簇头选举，形成拓扑结构，具体步骤如下：①判断当前节点是否是全功能设备FFD节点，若当前节点是全功能设备FFD节点，则执行步骤②，否则执行步骤④；②如公式(1)所示，分别计算各簇的平均节点深度davg(j)；如公式(2)所示，分别计算各簇的平均节点度数TNavg(j)，其中，M是簇j的簇内节点总数，d(i)是簇j内节点i的深度，TN(i)是簇j内节点i的节点度数；davg(j)=Σi=1Md(i)M,1≤j≤N---(1)]]>TNavg(j)=Σi=1MTN(i)M,1≤j≤N---(2)]]>③通过公式(3)计算各节点的簇头权值函数W(i)，对节点度数、节点深度两方面因素进行归一化处理，得到最终簇头权值函数；W(i)=d(i)/davg(j)TN(i)/TNavg(j)---(3)]]>④重复步骤①～③，直到计算出簇j内全部节点的簇头权值函数；⑤比较各节点的权值函数，将权值函数最小的节点当作簇头，并对簇内节点进行簇信息广播，簇内节点实行路由信息共享；104、簇内节点查询自身邻居表，并将邻簇信息发送给簇头节点，簇头节点对接收到的邻簇信息进行整合，并转发给协调器节点；协调器节点根据来自各簇头的邻簇信息，生成邻簇序列SoAC，协调器节点向全网广播邻簇序列SoAC，完成网络成簇阶段；路由发现阶段具体包括以下步骤：105、当ZigBee网络中的节点有数据包要进行发送时，网络进入路由发现阶段，根据数据包的源节点网络地址、目的节点网络地址去查询源节点、目的节点的簇号，判断源节点、目的节点是否同簇，若源节点、目的节点同簇，则执行步骤106，否则执行步骤107；106、若源节点、目的节点具有相同的邻居节点，则将数据包转发给相同的邻居节点，邻居节点再将数据包转发给目的节点；反之，则按照簇树路由算法Cluster‑Tree进行数据转发；107、查询邻簇序列SoAC，利用公式(4)计算源节点到目的节点之间的最大跳数，其中，dS、dD分别是源、目的节点深度、dMCP是源目的节点最大公共父节点深度，hmax表明数据包沿Cluster‑Tree方法在网络中传输的路径长度，即数据包在网络中传输的最大跳数；hmax＝dS+dD‑2·dMCP     (4)108、在原路由请求RREQ结构的基础上添加最大跳数hmax、当前跳数位h、以及最小节点剩余能量位RREQe，并根据公式(5)初始化当前跳数位和最小节点剩余能量位，其中Einit为节点的初始能量值；h＝0RREQe＝Einit     (5)109、根据源节点、目的节点簇号查询邻簇序列SoAC，在邻簇序列基础上生成正向邻簇序列fSoAC和逆向邻簇序列rSoAC；判断fSoAC的长度是否大于rSoAC，若fSoAC长于rSoAC，且rSoAC中没有0，则RREQ消息沿rSoAC中簇序列方向进行转发；若rSoAC长于fSoAC，且fSoAC中没有0，则RREQ消息沿fSoAC中簇序列方向进行转发，0表示当某簇未检测到一侧或两侧的邻簇信息，则这侧或两侧的邻簇信息由0替代，否则，RREQ消息沿源簇→协调器节点→目的簇方向进行转发；110、节点i接收来自上一跳节点的RREQ消息后，首先判断自身是否是目的节点，若当前节点不是目的节点，则计算节点i的剩余能量Eres(i)，并更新RREQ消息，使得RREQ消息中的RREQe位为路径中最小节点剩余能量；111、当RREQ消息到达目的节点时，根据公式(6)计算最大节点能量消耗Econs，根据公式(7)计算路径代价函数cost；Econs＝Einit‑RREQe     (6)cost=hhmax+EconsEinit---(7)]]>目的节点选择代价函数最小的路径回复RREP消息，源节点接收到目的节点发送的RREP消息后，按RREP消息的发送路径发送数据包。