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专利号: 2016103654711
申请人: 辽宁大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 电通信技术
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.基于能量收集构建负载均衡树的无线传感网路由协议,其特征在于,其步骤如下:(1)节点能量收集:采用超级电容储存节点收集的能量,采用时间戳来控制节点是否开启装置进行能量收集;

(2)节点能量评估:采用基于时间戳的链路评估方法,实现节点能量评估;

(3)节点能量负载均衡:采用负载均衡树使簇头间通信均衡,保证数据包在网络中均等传输。

2.根据权利要求1所述的基于能量收集构建负载均衡树的无线传感网路由协议,其特征在于,所述的步骤(1)节点能量收集的具体步骤如下:(1.1)确定节点最近一周相应的时间段内耗能平均值

其中 分别表示节点i最近一周中第j天的白天、夜晚及次日上午所需能量,分别表示节点i最近一周白天、夜晚及次日上午所需能量的平均值;估计节点i白天、夜晚及次日上午维持生存和通信所需的能量 节点i的能量损耗与传输数据量的不确定性对能量需求的偏差之和,即 其中 表示节点i的能量损耗、传输数据量的不确定性对能量需求的偏差;

(1.2)判断节点i电容中收集能量的剩余能量 能否满足白天、夜晚及次日上午能量的供应;

(1.3)根据节点所需能量之和与节点收集能量的剩余的比较结果,确定节点在每天太阳能功率密度较大的时间戳内能量收集装置开关k的状态:若 则节点i开启装置并收集能量,否则,不开启收集能量的装置;节点每天在时间戳内对收集能量进行预测评估来决定收集能量装置的状态,可减少节点频繁开关装置的耗能,使收集能量的利用率最大化。

3.根据权利要求1所述的基于能量收集构建负载均衡树的无线传感网路由协议,其特征在于,所述的步骤(2)节点能量评估的过程如下:采用基于时间戳的链路评估方法,实现节点能量评估:当数据包在节点间转发时,若节点i向节点j发送数据包,则节点i将其当前时间戳填加到数据包中;节点j收到数据包后,根据其收包时间戳与数据包中时间戳计算出传输时间Δτ,则节点i到节点j第n次发送数据包的延迟时间 为:其中 为节点i到节点j第n-1次发送数据包的延迟时间,α为 的权重因子; 和分别为节点i第一次发送数据包给节点j时填加的时间戳、节点j第一次收到节点i数据包的时间戳;

当节点j计算出其与节点i的第n次延迟时间 后,将 发送给节点i,使节点i第n+1次向节点j传输数据包时,可根据第n次延迟时间 和节点j的剩余能量,选择链路质量最优的路径进行数据传输;对节点间链路质量评估时,综合考虑节点剩余能量概率因子 与通信延迟概率因子 并选择链路质量Qij最优的路径来传输数据包,公式表示如下:Qbest=max(Qij,j∈Ni)    (4)

其中j表示节点i的邻节点,Ni表示节点i的邻节点组成的集合,β为 的比例因子,γ为的比例因子,β与γ之和为1;节点j的收集能量 越多,节点i、j间延迟 越小,则节点间链路质量越好。

4.根据权利要求1所述的基于能量收集构建负载均衡树的无线传感网路由协议,其特征在于,所述的步骤(3)节点能量负载均衡是以节点收集能量的剩余能量为主参数,节点邻近度为次参数;通过HEED算法选出簇头,然后Sink节点向网络中发送建立拓扑的请求Request;随着Request广播给所有簇头,每个簇头维护一个路由表;同时,簇头节点之间形成了一棵多跳路由树;

节点邻近度NPim用最小平均可达功率AMRP来衡量,AMRP的计算公式如下:其中M为该簇头i的邻居节点数,minPwr(m)为簇头i的邻节点中第m个节点与其通信的射频最小功率;AMRP越小,表明节点i与节点m越接近;

为了衡量负载均衡树的性能以及评估网络的负载均衡性,引入如下定义:定义1:在路由树中,STi表示以节点i为根的子树;cni为节点i的子节点数;

表示节点i的子节点; 表示以节点i的子节点ch_ij为根的子树;

定义2:子树均衡指数SBFi,节点i的所有子节点的子树 上最多的节点数量 与最少的节点数量 之差;SBFi为0或1,则表明STi均衡程度较好;

其计算公式如下:

定义3:负载均衡指数LBF,网络中节点的剩余能量最大值Emax与最小值Emin之比;LBF越接近1,表明网络负载越均衡;LBF的计算公式如下:簇头间负载均衡策略具体是为了避免网络中部分路径负载过重,则需调整叶节点到Sink节点的路由树;当且仅当调整后链路质量Qij变大时,修正路由树;其流程如下:(4.1):判断节点是否为叶子节点;如果是,则从该节点开始判断路由树是否均衡;否则,根据路由树向下查找子节点,直至找到叶子节点;

(4.2):节点向其父节点i发送Reply数据包;

(4.3):节点i收到Reply后,计算其SBFi;若SBFi≥2,则进入(4.5);否则,转至步骤(4.4);

(4.4):判断节点i是否为Sink节点,如果是,则结束;否则,转至(4.2);

(4.5):从节点i的子树中找到节点数最多的子树 和节点数最少的子树 再从节点ch_iM中选择离节点ch_im最近的子节点ch_ij,判断调整前后簇头间的链路质量Qij是否变大;若调整后链路质量不变或变小,则转至(4.6);否则,转至(4.7);

(4.6):节点i向子节点发送调整消息,计算SBFi,重复迭代(4.5),直到SBFi不高于门限值时,转至(4.2);

(4.7):从以ch_iM为簇头的簇中找一个中继节点Relay,使调整后的簇头ch_ij经中继节点Relay到ch_im的链路质量Qij’最大,并将Qij’与原路径的链路质量Qij比较,若Qij’

(4.8):迭代运行步骤(4.1)~(4.7),直至遍历完所有的叶子节点。