基于能耗均衡策略的无线传感器网络路由调度方法

摘要

本发明请求保护一种无线传感器网络路由调度方法，属于无线传感器网络领域。本发明利用网络的链路表和路径表，得出设备的能耗因子，结合设备的剩余电量信息，联合求得能耗均衡因子，再将其作为加权因子，利用最短路径路由算法为网络中的所有设备分配一条最短路径。该方法能保证为每个设备分配的路由路径都为最短路由路径，并且算法都在系统管理器中完成，节点没有传输数据之外的任何能量消耗，能保证节点的能量全部有效地用于数据传送，最大化每个节点和整个网络的寿命。本发明的方法简单、易于实现，并且能充分满足工业无线通信领域的需要，最大限度优化网络运行时间，也适用于各种以数据为中心的无线传感器网络应用场合。

说明书

技术领域

本发明属于无线传感器网络领域，具体涉及一种无线传感器网络的路由调度方法。

背景技术

无线传感器网络集成了传感器技术、嵌入式技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术，是一种全新的信息获取和处理技术，广泛应用于环境保护、农业、工业、家庭自动化及公共事业等领域。在无线传感器网络中，网络节点能量有限且一般没有能量补充，因此路由协议应尽可能地考虑能耗均衡策略，以有效地延长网络生存周期。常见的能耗均衡路由都采用分簇方法，例如Leach法等。其基本思想是把网络划分成互不重叠的若干部分(簇)，使得数据通信形成簇内通信和簇间通信的不同层次，每个簇选出一个节点负责簇的管理，并形成全网的骨架，周期性动态成簇，随机产生簇头，使得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，延长网络生存周期。此外，现有的无线传感器网络能量感知路由协议还有最大节点能量路由、最小能量消耗路由、最小跳数路由、最大可用能量路由，以及Shah R，Rabacy J等人提出的能量察觉路由算法。

上述的能耗均衡路由方法主要针对的是以数据为中心的无线传感器网络，而不适用于集中式的确定性无线传感器网络。集中式的确定性无线传感器网络是一种基于TDMA的MESH无线传感器网络结构，网络通信链路和资源由系统管理器统一调度和管理，系统管理器为网络节点分配通信链路、通信时隙、通信信道等，网络节点在固定的时隙使用固定的链路进行通信。这种无线传感器网络具有实时、确定、可靠等优点，故而可适用于工业无线监控领域以及其他网络节点相对固定的无线传感器网络应用领域。目前针对这类无线传感器网络的路由协议研究基本没有涉及能耗均衡策略的全局性路由调度方法。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷和空白，本发明所要解决的技术问题在于提供一种针对集中式无线传感器网络，基于全局能耗均衡策略的全网路由调度方法，该方法既兼顾跳数最小原则又兼顾能耗均衡原则，通过对路由路径的调度实现无线传感器网络能耗的全局性均衡，有效地延长网络寿命。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：系统管理器获得每个设备的相关信息，并依据这些相关信息分别建立链路表、路径表、时隙数表、以及剩余电量表。链路表C_N×L存储网络设备间链路信息，路径表P_L×G存储系统管理器为设备分配的路径信息，时隙数表βG×G存储每条路由路径单位时间内占用的时隙数，剩余电量表Pow_N存储每个设备的剩余电量信息。系统管理器会随着设备信息的周期性更新，实时更新这些数据表。

系统管理器是无线传感器网络的核心，它负责管理和协调网络中每个设备。系统管理器获取无线传感器网络中设备的相关信息，包括，网络中的链路信息、网络中设备通信所使用的路径信息、通信周期数、设备的剩余电量值，由此分别建立链路表C_N×L、路径表P_L×G、时隙数表β_G×G、剩余电量表Pow_N。根据路径表和时隙数表建立每条链路在每条路径上平均单位时间内占用的时隙数矩阵T，得到每条链路在单位时间内总共消耗的时隙数矩阵Tl_L；算法模块调用公式：Dp_N＝C_N×L·Tl_L计算网络中设备单位时间的能耗因子DpN。然后根据能耗因子Dp_N和设备剩余电量Pow_N确定各个设备的能耗均衡因子Pb_N，将能耗均衡因子Pb_N作为加权因子，使用最短路径路由算法，从源节点依次查找加权因子之和最小的下一个节点，最终到达目的节点，得出该无线传感器网络的最优路由路径。

本发明能够保证系统管理器为网络中的所有设备分配一条均衡能耗的最短路由路径，平衡全局网络节点间的消耗，避免了出现由于节点过早失效而整个网络被分割成若干个互不相连的孤岛的情况，延长了整个传感器网络的生存时间，并且本方法较为简单、易于实现，可用于集中式无线传感器网络的应用场合，具有较好的社会效益和经济效益。

附图说明

图1：基于能量均衡策略的路由路径建立流程示意图

图2：实施例使用的网络示意图

图3：实施例中寻找能耗均衡策略最优的路由路径的各步骤示意图

具体实施方式

本发明的具体实施方案如下：

首先，假定无线传感器网络满足如下几点要求：

(1)每个新节点在入网前先侦听信道，搜索其邻居节点；

(2)网络中目前有N个设备，L条链路，G条路由路径；

(3)各节点都为全功率工作，通信一次所用的电量相等；

(4)各节点的电池容量相等，剩余电量用百分比来表示。

以下针对附图和具体实力对本发明的实施作进一步具体描述，如图1所示为本发明基于能量均衡策略的路由路径建立流程示意图，具体包括如下阶段：

1.路由建立准备阶段

系统管理器获取网络中相关信息，包括，网络中的链路信息、网络中设备通信所使用的路径信息、通信周期数、设备的剩余电量值，根据相关信息建立链路表C_N×L、路由路径表P_L×G、时隙数表β_G×G、设备剩余电量表Pow_N，在系统管理器中将相关列表表示为矩阵形式。

(1)建立系统链路表C_N×L

设备在入网时，系统管理器接收与之建立链路的设备的数据帧，获取设备的ID，系统管理器将其存储在链路表中，该链路表存储了网络中所有链路的信息，将该表表示为矩阵形式，表中的每一行代表一个设备，每一列代表一条链路，C_ij为1代表网络中设备i是链路j的端点，为0代表设备i不是链路j的端点。

(2)建立系统路由路径表P_L×G

系统管理器在给一个设备分配路由之后更新自己的路由路径表，以矩阵形式表示。该路径表存储了网络中设备通信所使用的路径信息，表中的每一行代表一条链路，每一列代表一条路由路径，P_ij为1代表路径j使用链路i，为0代表路径j不使用链路i。

(3)建立路由路径单位时间内占用的时隙数表β_G×G

由于每个设备都对应有自己的通信路径，从而可以得到与之对应的路由路径单位时间内占用的时隙数。系统管理器根据设备在数据包中填充的通信周期数计算设备单位时间内占用的时隙数，例如，设备1s通信一次，则占用时隙数为1，设备30s通信一次，则占用时隙数为1/30。β_ii表示了路径i在1s内通信所占用的时隙数。

(4)建立设备剩余电量表Pow_N

连接入网络中的设备在发送给系统管理器的数据包中标明自己的剩余电量值，系统管理器接收后将其存储在设备剩余电量表中，Pow_i表示设备i的剩余电量。

2.能耗均衡因子计算阶段

在建立了计算能耗均衡因子所需要信息的各种列表之后，系统管理器根据各表的矩阵计算各设备的能耗均衡因子，并把它作为下一阶段最短路径路由算法的加权因子。计算设备能耗均衡因子的方案如下：

(1)利用系统路由路径表P_L×G和时隙数表β_G×G，算法模块调用公式T＝P_L×G·β_G×G建立每条链路在每条路径上平均单位时间内占用的时隙数矩阵T；

(2)根据公式：${\mathrm{Tl}}_L=\underset{j=1}{\overset{G}{\Sigma }}{T}_{\mathrm{ij}}$把时隙数矩阵T的每一行中的各列相加得到每条链路在单位时间内总共消耗的时隙数矩阵Tl_L，其中T_ij表示链路i在路径j上消耗的时隙数；

(3)利用系统链路表C_N×L和链路时隙数矩阵Tl_L，算法模块调用公式：Dp_N＝C_N×L·Tl_L计算网络中设备单位时间的能耗因子Dp_N；

(4)利用设备能耗因子和设备剩余电量，算法模块调用公式$P{b}_N=\frac{D{p}_i}{{\mathrm{Pow}}_i}$(Dp_i表示设备i的能耗因子，Pow_i表示设备i的剩余电量)确定各设备的能耗均衡因子Pb_N。

3.路由建立阶段；

(1)分别把每个设备的能耗均衡因子Pb_i作为各设备的加权因子，使用最短路径路由算法从源节点依次查找加权因子之和最小的下一个节点，最终到达目的节点，得出能耗均衡最优的路由路径，同时系统管理器根据获得的最优路由路径更新路由路径表；

(2)系统管理器将计算出的各个节点的最短路由路径告知节点，节点使用该路径进行通信。

以下以一具体实施例说明一个新设备欲加入网络，系统管理器基于能量均衡策略计算各设备的最优路由路径方法，结合附图详述如下。

本实施例使用如图2所示的网络，假如网络中有7个设备，图中分别用A～G表示，其中A表示网关，11条链路分别用1～11表示，7条路由路径a～g。则系统管理器根据该链路表建立的链路表矩阵C_N×L为：

$C_{N\times L}=\left(\begin{array}{ccccccccccc}1& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 1& 0& 1& 1& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 1& 1& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 1& 1\\ 0& 0& 0& 1& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 1& 1& 1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 1& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0& 1\end{array}\right),$

矩阵中的行分别代表设备A～G，列分别代表链路1～11，其中元素C_ij为1代表网络中设备i是链路j的端点，为0则设备i不是链路j的端点。

系统管理器根据路径表建立的路径矩阵P_L×G为：

$P_{L\times G}=\left(\begin{array}{ccccccc}1& 0& 1& 1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0& 1& 1& 1\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1\end{array}\right)$

表中的行分别代表链路1～11，列分别代表路径a～g，其中的元素P_ij为1表示路径j使用链路i，为0表示路径j不使用链路i。

假设除网关之外其他设备的通信周期和剩余电量信息如下表所示。

 

设备号abcdefg通信周期(s)110.5211.25剩余电量Pow_N1(有源)0.50.70.40.20.10.5

系统管理器根据设备在数据包中填充的通信周期数计算设备单位时间内占用的时隙数，则根据上表每条路径单位时间内占用的时隙数为：

${\beta }_{G\times G}=\left(\begin{array}{ccccccc}1& & & & & & \\ & 0& & & & & \\ & & 2& & & & \\ & & & 0.5& & & \\ & & & & 0.5& & \\ & & & & & 1& \\ & & & & & & 0.8\end{array}\right)$

此时，如新设备H要求加入网络，它能收到设备E，F，G发来的数据包，如图3(a)所示。H把自己的入网请求发送给系统管理器，系统管理器在对该设备进行安全性验证，确认该设备为安全设备后，就会把链路12，13，14加入到链路表中，则链路表C_N×L更新为：

$C_{N\times L}=\left(\begin{array}{cccccccccccccc}1& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 1& 0& 1& 1& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 1& 1& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 1& 1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 1& 1& 1& 0& 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 1& 1& 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0& 1& 0& 0& 1\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 1& 1\end{array}\right)$

路径表P_L×G更新为：

$P_{L\times G}=\left(\begin{array}{ccccccc}1& 0& 1& 1& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0& 1& 1& 1\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\end{array}\right)$

由于没有添加新的路由路径，每条路径单位时间内占用的时隙数仍然为：

${\beta }_{G\times G}=\left(\begin{array}{ccccccc}1& & & & & & \\ & 1& & & & & \\ & & 2& & & & \\ & & & 0.5& & & \\ & & & & 0.5& & \\ & & & & & 1& \\ & & & & & & 0.8\end{array}\right)$

接下来系统管理器要为新设备分配一条路由路径，其步骤如下：

(1)算法模块调用公式T＝P_L×G·β_G×G得出每条链路在每条路径上分别占用的时隙数矩阵T：

$T=P_{L\times G}·{\beta }_{G\times G}=\left(\begin{array}{ccccccc}1& 0& 2& 0.5& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0& 0.5& 1& 0.8\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 2& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0.5& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0.5& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0.8\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\end{array}\right)$

从得到的矩阵我们可以看到，链路1在网关A与设备B，D，E通信使用的路径a，c，d上分别被占用1，2，0.5个时隙，与设备B，D，E的通信周期相符合，其他链路亦同。

(2)矩阵T的每一行中的各列相加就得到每条链路在单位时间内总共消耗的时隙数矩阵Ts_L：

${\mathrm{Ts}}_L=\underset{j=1}{\overset{j=G}{\Sigma }}{T}_{\mathrm{ij}}=\left(\begin{array}{c}3.5\\ 3.3\\ 0\\ 2.0\\ 0.5\\ 0\\ 0.5\\ 0\\ 0\\ 1.0\\ 0.8\\ 0\\ 0\\ 0\end{array}\right)$

由于链路2被路径b，e，f，g使用，设备C，E，F，G的通信周期分别为1s，2s，1s，1.25s，故总的占用时隙为1+0.5+1+0.8＝3.3，其他链路亦同。

(3)设备单位时间内参与的通信次数(即，设备的能耗因子Dp_N)为：

${\mathrm{Dp}}_N=C_{N\times L}·{\mathrm{Ts}}_L=\left(\begin{array}{cccccccccccccc}1& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 1& 0& 1& 1& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 1& 1& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 1& 1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 1& 1& 1& 0& 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 1& 1& 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0& 1& 0& 0& 1\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& 1& 1\end{array}\right)·\left(\begin{array}{c}3.5\\ 3.3\\ 0\\ 2.0\\ 0.5\\ 0\\ 0.5\\ 0\\ 0\\ 1.0\\ 0.8\\ 0\\ 0\\ 0\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}6.8\\ 6.0\\ 5.6\\ 2.0\\ 1.0\\ 1.0\\ 0.8\\ 0\end{array}\right)$

以设备C为例，设备C参与了链路2，7，10，11的通信，这几条链路单位时间内占用的时隙数分别为3.3，0.5，1.0，0.8，一个时隙为一个通信周期，故设备C参与的通信次数为3.3+0.5+1.0+0.8＝5.6，其他设备亦同。

(4)假设系统管理器收到的每个设备的剩余电量信息如下表所示

 

设备号ABCDEFGH剩余电量Pow_i1(有源)0.50.70.40.20.10.50.9

则设备剩余电量表Pow_N为：

${\mathrm{Pow}}_N=\left(\begin{array}{c}1\\ 0.5\\ 0.7\\ 0.4\\ 0.2\\ 0.1\\ 0.5\\ 0.9\end{array}\right)$

根据能耗因子Dp_N，剩余电量Pow_N中每个设备的能耗因子以及该设备的剩余电量，分别计算每个设备的能耗均衡因子Pb_N：

${\mathrm{Pb}}_N=\frac{{\mathrm{Dp}}_i}{{\mathrm{Pow}}_i}=\left(\begin{array}{c}6.8\\ 12\\ 8\\ 5.0\\ 5.0\\ 10\\ 1.6\\ 0\end{array}\right)$

于是，得到各设备的能耗均衡因子如下表所示：

 

设备号ABCDEFGH能耗均衡因子6.81285.05.0101.60

由得到的结果可以明显看出，能耗均衡因子是一个能够很好地反映设备繁忙程度和剩余电量两者的综合指标。比如，虽然设备F比设备G的繁忙程度相差不大，但是由于设备F的剩余电量(0.1)比设备G的(0.5)少得多，所以设备G的能耗均衡因子(1.6)比设备F的(10)小很多，也即如果有设备要加入网络，必定会选择设备G，而不选择设备F。

(5)将各设备的能耗均衡因子Pb_i作为加权因子，使用最短路径路由算法就可得出最短路由路径。

现在我们利用最短路径路由算法来找出从网关A到设备H的最短路径。开始，把节点A标记为永久的，在图中用一个实心的圆来表示。然后依次检查与设备A相邻的设备B和C，用能耗均衡因子对它们进行标记。由于设备到达设备B和C所耗费的能量相同，则随机选取设备C为下一节点，C变成新的工作点。依次类推。图3所示为根据能耗均衡因子确定网络最短路径的设备标识的过程。于是，得到从网关A到达设备H的最短路径就是A-C-G-H，链路消耗为16.4。

(6)系统管理器将A-C-G-H这条最短路径分配给新入网设备H，并更新自己的路径表，将A-C-G-H这条路径加入到路径表中，并更新路径通信时隙数表中的内容。

上述具体实例只是讲述了系统管理器是如何利用本发明所提供的方法为新入网设备分配全网能量均衡路由路径，通过分析，我们可以看出，本发明的设备能耗均衡因子能够非常好地协调设备剩余电量与设备繁忙程度两者指标，从而为网络中的设备分配一条能量均衡的路由路径。

但是本实例仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的方法和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。