[发明专利]一种分布式无线传感网络分簇路由方法

说明书

本发明公开了一种分布式无线传感网络分簇路由方法，主要解决无线传感网络簇内节点利用多跳通信方式进行数据传输时带来的热区问题导致的网络能量负载不均衡问题。该方法是一种分布式方法，节点不依赖于对网络整体拓扑结构的感知，仅依靠自身信息以及邻居节点信息结合模糊逻辑选举出合理的簇头节点。簇头选举阶段，利用模糊逻辑对节点进行性能分析，本发明以节点能量、节点度(邻居节点个数)和邻居节点能量作为评判指标，有效地缓解了多跳通信中常见的热区问题，提升了结构网络的健壮性，延长了网络的生命周期，增强了系统数据传输的效率。

技术领域

本发明涉及无线传感网络网络层优化技术，具体涉及一种分布式无线传感网络分簇路由方法。

背景技术

无线传感网络(Wireless Sensor Networks,WSNs)是一种多跳自组织网络系统，由大量传感器节点组成，节点之间通过无线通信的方式进行互联互通。一般来说，无线传感网络由传感器节点和汇聚节点组成，并且每个传感器节点都具有数据接收和数据转发的功能，也就是说每个节点既可以是普通节点，也可以实现路由转发的作用。汇聚节点则相当于网关的角色，既负责对指定区域所管辖的传感器节点收集到的信息进行数据融合，还需要负责与外部网络(互联网，移动通信网络，卫星通信等)进行通信。随着无线通信技术的发展以及低功耗无线射频模块在传感器节点上的应用，无线传感网络现在已经广泛应用于智能家居、环境监测、交通运输、灾害救援和国土安全之中，成为了物联网发展的重要技术手段。

由于传感器节点具有数目众多、规模庞大、部署随机、能量有限以及拓扑难以控制等特点，无线传感网络的网络层通常采用分簇路由算法，将网络系统由平面结构转换成分层结构，以此来提升网络的扩展性，降低系统的能耗，提升整体的性能。分簇路由算法提出了“轮”的概念，通过定期的簇首选举，将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点上，以提高动态网络的高效性和鲁棒性。每一轮开始时，通过一定的选举机制来产生新的簇头节点和成员节点。簇内成员节点通过多跳通信的方式将信息传输到簇头节点进行数据融合，而簇头节点与基站之间则采用单跳通信的方式实现数据上传。

分簇路由算法大体上可以分为集中式和分布式两类。集中式路由算法往往需要传感器节点获取全局拓扑信息，并结合智能算法(PSO、蚁群算法，k-means等等)对自身性能进行分析从而选举出合适的簇头节点，这种方式固然可以得到合理的簇分布拓扑，但对节点自身来说也会带来巨大的能量消耗，且对于大规模无线传感网络，其灵活性不如分布式算法。因此，在无线传感网络实际应用中其实更倾向于使用分布式分簇算法。

在分簇路由算法中，簇头节点由于需要承担簇内数据融合以及和汇聚节点进行通信的任务，其能量消耗固然远大于簇内的成员节点，但多跳通信中往往存在热区问题，即离簇头越近的节点，需要承担的数据接收和数据转发任务也就越多，所带来的额外能量消耗也就越大，节点也就越容易过早死亡，破坏了通信链路的稳定性，对整个网络的负载均衡和整体性能将会产生严重的影响。由此可以看出，簇头节点的邻居节点在数据传输的整个过程中其实也需要承担较大的能量消耗。因此，分簇网络中簇头选举算法在考虑节点剩余能量和节点度的同时，节点的邻居节点剩余能量也是一个不容忽视的因素。

发明内容

为克服以上缺点，本发明提出一种分布式无线传感网络分簇路由方法。所述方法将分簇路由算法和模糊逻辑相结合，以节点剩余能量、节点度、邻居节点剩余能量作为判定指标，实现合理的簇头节点选举，有效地避免了多跳通信所带来的热区问题对网络系统性能的影响，实现了系统整体的负载均衡，延长了网络的生命周期，提升了系统的整体性能。

本发明分布式无线传感网络分簇路由方法通过如下技术方案实现：

1、一种分布式无线传感网络分簇路由方法，包括以下步骤：