基于可充电无线异构传感器网络的链式路由设计方法

本发明涉及无线传感器网络领域，具体为基于可充电无线异构传感器网络的链式路由设计方法。

背景技术：

1、在高度信息化的时代，快速、准确、高效的信息需求迅速推进了无线传感网络(wsn)的发展，无线传感器网络(wireless sensor network,wsn)是由一定数量规模的可移动或位置固定的传感器节点自发地或被动地通过无线通信技术结合成组织或形成的一定程度的连通进而组成的具有从监测区域收集数据、自我处理数据和向网络的所有者传输数据功能的网络；在各类基建领域、军工领域、民用领域充分发挥着其无可替代的作用，保障着国家的安全、企业的建设、公民的生活。随着无线传感网络涉猎的范围越来越广阔，传统的单一的无线传感网络已经无法满足各种环境需求，为此我们提出了基于可充电无线异构传感器网络的链式路由设计方法。

技术实现思路

1、(一)解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本发明提供了基于可充电无线异构传感器网络的链式路由设计方法，解决了上述的问题。

3、(二)技术方案

4、为实现上述所述目的，本发明提供如下技术方案：基于可充电无线异构传感器网络的链式路由设计方法，包括以下步骤：

5、s1：通过无人机(uav)对传感器节点进行充电，利用电磁能量收集技术，在无人机悬停在传感器节点上空时，传感器节点里的线圈和无人机里面的线圈相互进行调谐，在一定的频率上进行能量的传输；

6、s2：构建长链式场景模型，且该长链式场景是有直有弯、宽窄不一的河流区域；

7、s3：对区域进行分簇，将区域按面积大小划分为若干份，子区域的数量随着链长度的增长而增加；

8、s4：计算uav飞行轨迹，假设uav飞行轨迹固定，且uav的能量足够从bs起飞到各个簇头节点充好电后回到bs；

9、s5：簇头选举，所有节点确定了自己所属子区域后，便开始竞选簇头，簇头节点负责接收、汇聚、传递所在子区域节点所采集的信息；

10、s6：建链、簇内通信，簇头选举完成后，开始簇内通信，数据按区域依次传送，除了河流下游的第一个簇区域外，各簇区域的簇头收集并整合好整个簇区域的信息后，等待着前一个区域的簇头传来数据，最后一个区域接收到数据并整合后转发给基站bs。

11、优选的，所述s2中构建长链式场景包括：根据场景的种种特点，分析出高斯函数符合我们场景需求，假设任意一个符合分布的高斯函数：

12、

13、该函数图像有曲率随σ1的值改变的弯道，有受μ1的值控制的弯道位置，当x≤σ1orx≥σ1时，曲线可看成直线，图像与x轴的距离大小不一，可模拟河道的宽窄不一的特征，可以通过多个高斯函数的加减运算得到多个钟形曲线的合成，以此来模拟河流弯弯曲曲不规则的特征，即：

14、x～n(μ,σ2)＝x1+x2+…+xn～n(μ1+μ2+…+μn,σ12+σ22+…+σn2)

15、

16、优选的，所述s3对区域进行分簇中计算长链式区域的面积大小采用下式：

17、

18、将区域划分为10等份，每一个子区域的面积为：

19、

20、令解得区域1和区域2的分界线，故可列方程组：

21、

22、联立式(3-1)、式(3-2)和式(3-3)，解得各个簇区域之间的分界线方程、区域总面积、各簇面积；

23、传感器节点在被监测区域中均匀分布，即各区域的节点密度相同：

24、

25、所以每个区域的节点数量为：

26、

27、优选的，所述s4中uav飞行轨迹计算包括：在不规则场景中，uav在各个簇区域的质心之间直线飞行，而且不规则区域的质心位置确定规则如下：

28、遍历各个簇内所有节点的横纵坐标，将其分别记录在数组和中，找到最大和最小的横纵坐标值：max(x(noni))、min((x(noni)))、max(y(noni))、min(y(noni))，再用以下方式表示各簇区域的质心点：

29、

30、令xi＝centroid(x)i,yi＝centroid(y)i；同理xi+1＝centroid(x)i+1,yi+1＝centroid(y)i+1，用两点式方程描述uav的飞行轨迹：

31、

32、将式(4-2)转化为一般式：

33、(yi+1-yi)x-(xi+1-xi)y-xi(yi+1-yi)+yi(xi+1-xi)

34、＝0#(4-3)

35、由于点(x0,y0)到线(ax+by+c＝0)的距离为：

36、

37、所以各节点(x,y)离uav飞行轨迹的距离为：

38、

39、其中i＝1,2,…,10,当i＝10时，(xi+1,yi+1)＝(bsx,bsy),即基站bs的位置。

40、优选的，所述s5中簇头选举采用选择靠近区域边缘的节点来选举簇头，同时为了减少链重构的次数，还考虑节点的剩余能量这个参考指标，簇头选举评价指标如下式：

41、

42、其中dtocentroid代表当前节点与所在区域质心点的距离,为节点到质心距离的归一值；

43、dtotrail为当前节点到uav飞行轨迹的距离,为节点到uav飞行轨迹距离的归一值；

44、eremained为节点剩余能量，为节点剩余能量的归一值；

45、评价指标最小的节点当选簇头，簇头发送广播给邻居节点簇头已定的消息及自己的位置，簇内节点收到簇头的广播后存储簇头位置信息，并停止竞选簇头。

46、优选的，所述s6中建链、簇内通信包括：节点将邻居节点按与自身距离大小由小到大进行排序，先判断最近的邻居节点到簇头的距离是否比节点自身到簇头的距离更近；

47、若满足该条件，则节点直接与该最近的邻居节点建立链路，并设置自己的下一跳节点为该最近的邻居节点，这里称该邻居节点为该节点的脚节点(foot node)，该邻居节点为该节点的头节点(head node)，该邻居节点也记录自己的头节点序号；

48、若不满足该条件，则按距离由小到大的顺序遍历所有的邻居节点直到建成链路；

49、当需要信息传递时，簇头节点广播簇内链中端点节点，通知其开始传递信息，其他节点等待头节点(们)的信息，接收到完头节点(们)的信息后，整合接收到的数据和自身的数据，再将数据传递给脚节点，簇头接收完头节点们的信息后便开始簇间通信。

50、优选的，所述s3中在将区域按面积均匀分成10个簇，且每个簇区域的节点密度相同不变的情况下，设计基于节点密度不变、面积不均匀分簇的可充电链式路由协议，调整各区域面积大小减少了真个网络节点的平均负荷。

51、优选的，所述基于节点密度不变、面积不均匀分簇的可充电链式路由协议包括：在整个监测区域节点密度均匀分布的情况下，调整各区域面积大小，使靠近基站的区域拥有更多的节点可以承担数据转发的任务，增大了基站附近区域的总能量；

52、记每个区域的每轮的数据产生量为固定值w，则每轮每个区域接收和发送的数据量为：iw，每个区域总能量为：ρsie。

53、每个区域通信的能耗为：

54、econsume＝eoutside+einsideecharge#(81)

55、其中eoutside为簇头间的通信能耗，einside为簇内通信能耗，echarge为uav给簇头节点传输的电能量；

56、因为簇内通信采用最近、更近两个指标来进行的，单个节点的数据量与整个簇的数据量对比较小，且区域越靠近基站越明显，而且节点间的距离是选择的最短距离，与相邻两簇头间的距离相比较小，且区域越靠近节点越明显，而且uav的充电模块使得整体能耗降低，eoutside＞＞(einside-echarge)，所以式(8-1)可写成以下形式：

57、econsume≈eoutside＝iw(2eelec+εfsdch2chi2)#(8-2)

58、区域i的总能量和区域i每轮的能量消耗比值k为：

59、

60、其中dch2chi为区域i的簇头节点到下一簇区域的簇头节点的距离；

61、由式(8-3)转换可得：

62、

63、故区域节点总数ntotal为:

64、

65、根据式(8-5)，k又可以写成以下形式：

66、

67、将式(8-6)代入式(8-2)，得：

68、

69、各簇区域的节点数为：

70、

71、根据前文提到n＝10，ntotal＝300，将数据代入式(8-7)得到不均匀面积分簇下的通信结果。

72、(三)有益效果

73、与现有技术相比，本发明提供了基于可充电无线异构传感器网络的链式路由设计方法，具备以下有益效果：

74、该基于可充电无线异构传感器网络的链式路由设计方法，模拟了河流的长链式场景，通过uav可充电技术，并基于bsch算法在模拟的长链式场景中的应用的改进，改进的效果有以下几点：

75、(1)场景为长链式不规则场景，使得实际涉猎的范围更大，更有宏观性。用到质心点的距离代替bsch协议中到规则中心的距离。

76、(2)融入了uav可充电技术，而且灵活调整uav对各簇头的充电量大小，延长了各簇头节点的工作时间，均衡了网络中各节点的平均能耗，降低了链重构次数，大大增加了网络寿命，使得整个无线传感网络更具稳定性。

77、(3)本协议簇内建链以及通信的方式使用了最近、更近两大指标来完成：最近即以到邻居节点的距离由小到大遍历自身所有邻居节点；更近是指邻居节点到簇头的距离比自身到簇头的距离更近。通过该方法有效的削减了簇内链的总长度，尽可能地避免了数据传输路径迂回的情况，使得簇内非簇头节点的能耗大大减少。

78、(4)簇头的评价指标融入了节点到所属区域质心点的距离、节点到uav飞行轨迹距离和节点剩余能量大小三大指标，尽可能地确保了各个簇区域内的所有节点数据都能传输到簇头、簇头能将所属簇地总数据传递给下一簇头，且减少了uav从设定好的飞行路径飞到簇头的能耗。

79、2、该基于可充电无线异构传感器网络的链式路由设计方法通过对面积均匀分簇模型的分析，再进行能耗上的理论推导和公式计算，对第三章中提出的基于面积均匀分簇的可充电路由协议进行了改进，提出了一种节点密度不变，调整各个簇区域的面积的创新方案；

80、通过仿真，结果表明基于面积不均匀分簇的可充电链式路由协议具有以下优点：

81、(1)大大增加了基站附近区域的节点总数和能量，缓解基站附近区域中继整个网络数据的压力，减少了基站附近空洞的生成；

82、(2)离基站较远区域面积的减小使得相邻两簇头之间的的距离大大减少，从而降低占各簇能耗大头的簇间通信能耗，再加上uav灵活调整充电，降低并均衡了各簇总能耗，直接降低了各簇区域节点平均能耗；

83、(3)整体网络的能耗降低及其均衡使得网络整体上很稳定，大大减少了链重构次数。

84、综上所述，基于面积不均匀分簇的可充电链式路由在各方面性能上大大优于基于面积均匀分簇的可充电链式路由。