CN103945484B - 农田无线自组织网络拓扑密度关联路径选择优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种农田无线自组织网络拓扑密度关联路径选择优化方法，包括：S1：计算节点能量进行投票，确定簇头；S2：簇头接收预设阈值内的节点加入，进行成簇操作；S3：对于未完成成簇操作的节点按预设方法成为簇内子节点；S4：在簇内子节点中选取能量优势节点作为伪簇头；S5：根据簇头与伪簇头进行反向扩散组网；S6：所有节点通过组网路由进行环境信息采集与上报；S7：判断是否有簇头达到能量逼近目标；S8：若存在簇头达到能量逼近目标，则标记下一轮进行簇头选举，结束本轮采集，若不存在簇头达到能量逼近目标，则本轮采集结束。本发明提高了成簇效率，减少了簇头选择次数，提高网络整体能效。

Description

农田无线自组织网络拓扑密度关联路径选择优化方法

技术领域

本发明涉及电子通信技术领域，尤其涉及一种农田无线自组织网络拓扑密度关联路径选择优化方法。

背景技术

路由协议是无线自组织网络网络层的核心技术，传统的无线自组织网络在基于提高服务质量(Quality of Service,QoS)和网络公平性方面提出了许多协议与改进方法，这些协议研究的重点主要是降低端到端延时、避免信道拥塞、提高网络利用率、降低与平均能耗等。

经文献检索发现，自组织网络路由算法主要可分为平面路由协议与层次路由协议。泛洪路由协议是最一种传统的平面路由协议，源节点向所有邻居节点广播数据包，中间节点收到数据包后继续以广播形式转发数据包，直到数据扩散到达目标节点，对于无线自组织网络而言，泛洪式路由简单、易实现，无需进行网络拓扑信息的建立与维护，也没有计算选择最优路由路径而带来的计算与能耗；其缺点也是显而易见的，大量的数据交叠，汇聚节点会收到多份来自同一节点的数据，而传播这份数据将造成网络通信能力的巨大浪费，网络整体通信效率低下，同时因大量数据转发带来巨大能量消耗，节点能耗均衡问题更加无法保证。为解决此问题，研究人员提出了一系列优化的平面路由协议。Perkins CE等提出的AODV路由协议，由源节点广播路由请求报文RREQ，收到该报文的节点查找自身路由表，若存在有效路由则回复报文RREP。AODV协议的路由建立方法相对较简单，解决了泛洪协议中数据交叠问题，对网络拓扑结构的变化也有较强的适应性，但其缺点在于，路由建立过程存在盲目广播问题，建立过程开销大，且容易产生报文风暴的问题，路由建立效率低，没有考虑节点负载状况，关键路径和节点处容易产生拥塞，每个节点均需对路由链路信息进行保存、维护，能耗开销大。层次路由算法主要以分簇路由协议为主，LEACH是由Heinzelman等人提出的自适应成簇路由协议，其成簇思想贯穿于其后的绝大多数分簇路由协议中。LEACH算法中，所有节点按某一概率p成为簇头，成为簇头的节点广播消息，完成层次路由构建。由于LEACH算法随机选择簇头节点，所以容易加速部分低能量节点的死亡，缩短整体网络生存周期，其改进算法如LEACH-C、DEEC、CHCS等在进行簇头选择时均引入节点能量，根据节点剩余能量高低选取簇头，使簇头转发的额外能耗在高能节点间均匀分布，但由于仍采用LEACH核心成簇思想，所以以上算法均存在下列问题，①簇头数量根据算法不同各异，实际应用中最佳的簇头数量难以确定②分布式簇头选择算法易造成簇头分布不均，集中式簇头选择算法需要汇聚节点频繁获取所有节点信息，算法开销大③簇头与汇聚节点直接通信，而农田自组织网络覆盖范围大，距离汇聚节点较远的簇头节点通信能耗巨大或是无法实现与汇聚节点的直接通信。发明专利“基于连接的无线传感器网络扩散路由算法”（公告号：CN101902795A）提供了一种能耗均衡的扩散路由算法，节点各自保存连接信息，根据连接信息找到路由路径的下一跳节点地址，所有节点依次进行，直到数据成功到达目的节点，同时在选择路径的过程中考虑能量与计算资源的节点间均衡，该方法只解决了平面路由协议中能耗不均的问题，其他问题仍然存在。发明专利“一种基于能量消耗的无线传感器网络路由优化算法”（公告号：102802175A）、“一种能量高效的无线传感器网络路由算法”（公告号：102802230A）分别提供了一种基于能耗优化的平面路由和层次路由的算法优化，但只是针对现有技术进行能耗优化，并未解决其他方面的问题，实用性不高。

现有平面路由协议为了避免泛洪路由协议中数据重叠，效率低下问题，一般采用分布式或集中式的路由路径选择方法，但该方法需要路径上的任意节点维护所在路径上的全部节点路由信息，对于关键位置节点，可能要存储和维护网络中大部分节点的路由信息，随着网络规模增大，大幅增加了节点计算存储资源及能耗开销。此外大规模网络条件下的分布式扩散路由算法在路由建立期还存在盲目广播和报文风暴等问题，路由建立收敛慢、效率低；集中式的路由协议需要汇聚节点频繁收集节点信息，算法通信开销大，且对于网络结构变化的情况需要全局重新调整，灵活性差、效率低、浪费大。基于最小跳数或路径最小能量的平面路由协议，容易造成关键路径节点任务繁重，能量迅速消耗的问题。

对于以分簇算法为主的层次路由协议，能耗均衡路由算法通过不同方式使得节点轮流担任簇头，从而将簇头额外能耗在节点间平均，其主要缺点在于无法保证所有节点均接入网络，尤其对于在网络拓扑上只与某一个或少数几个节点存在连接的相对孤立节点，若与其连接的节点没有成为簇头，则该节点也无法与簇头建立通信连接而成为实际孤立节点。现有技术中对簇头的选择多以能量约束为主，并不考虑节点位置分布，容易造成簇头分布不均，而产生更多的孤立节点甚至造成组网失败。在现有分簇路由协议研究中，一般认为簇头与汇聚节点是直接通信的，且每个簇头与汇聚节点通信耗能相等，实际由于节点距离汇聚节点的距离各不相等，相距汇聚节点较远的簇头需要更大的发射能量，所以耗能相等的假设显然不成立，对于大规模农田自组织网络应用而言，由于覆盖区域大，簇头与汇聚节点之间甚至可能达到普通电池节点无法达到的单跳通信距离。基于能量权重的簇头选择，需要在每轮搜集簇内节点信息，部分算法还需要计算全网或簇内的平均节点能量，算法开销较大。现有技术中，簇头需要负担的节点数量不同，负担不同会造成网络能耗不均衡，此外节点簇头节点的计算资源有限，若簇内节点数量过多，也会造成簇内通信的拥塞，降低通信效率。现有技术的簇头选择方法按信息采集上传间隔分为“轮”，每轮开始时进行节点能量状态的采集，互换能量信息后，根据剩余能量多少进行簇头选举，选举过程复杂，通信计算开销大，增加了节点的平均能耗，且簇头可能在多轮次内由某个或某几个节点轮流担任，造成了不必要的浪费。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何满足大规模网络在复杂环境下的基本采集性能要求与有限能耗之间的平衡问题。

为此目的，本发明提出了一种农田无线自组织网络拓扑密度关联路径选择优化方法，包括具体以下步骤：

S1：计算节点能量进行投票，确定簇头；

S2：所述簇头接收预设阈值内的节点加入，进行成簇操作；

S3：对于未完成所述成簇操作的节点按预设方法成为簇内子节点；

S4：在所述簇内子节点中选取能量优势节点作为伪簇头；

S5：根据所述簇头与所述伪簇头进行反向扩散组网；

S6：所有节点通过组网路由进行环境信息采集与上报；

S7：判断是否有簇头达到能量逼近目标；

S8：若存在簇头达到所述能量逼近目标，则标记下一轮进行所述簇头选举，结束本轮采集，若不存在簇头达到所述能量逼近目标，则本轮采集结束。

具体地，对于未完成所述成簇操作的节点以平面扩散路由方式搜索网络接入点，并成为接入点所在簇的簇内子节点。

具体地，所述节点根据完成组网络采集上传的顺序不同先后进入休眠状态。

进一步地，所述步骤S1进一步包括：

S11：对任意节点中的一个所述节点进行自我能量计算操作，获取所述节点剩余能量信息、拓扑功率控制后的发射功率；

S12：以所述发射功率向拓扑邻居节点发送所述节点信息；

S13：所述节点根据收到所述拓扑邻居节点反馈的节点信息，比较邻居节点的剩余能量信息；

S14：选取剩余能量最高的邻居节点，向其发送投票消息；

S15：根据节点所在区域的拓扑密度指标以及节点的能量等级计算节点的选举权重：

计算公式为：

其中，节点i记录拓扑邻居数量，作为节点拓扑密度指标，记为节点度ND_i；节点i收到邻居节点发来的投票消息后，累加得出总票数作为节点能量等级V_i；

S16：节点向邻居节点广播自身选举权重；

S17：若某节点的选举权重大于其所有邻居节点的选举权重，则该节点成为簇头并广播成簇消息。

进一步地，所述步骤S17之后还包括：

当节点收到所述簇头广播的成簇消息，按预设规则选择一个簇头，发送反馈消息并加入所述簇，簇头根据反馈消息计算簇内节点平均能量。

具体地，所述节点信息包含节点ID、节点剩余能量以及除此节点外的其余节点属性信息。

进一步地，所述步骤S4进一步包括：

S41：获取所述簇内节点平均能量；

S42：判断子节点的能量与其接入簇内节点平均能量的大小；

S43：若所述子节点的能量小于所述簇内所述节点平均能量，则所述簇内子节点为能量弱势节点，若所述子节点的能量大于所述簇内所述节点平均能量，则所述簇内子节点为所述能量优势节点，作为所述伪簇头。

进一步地，所述步骤S5进一步包括：

S51：汇聚节点发送反向路由扩散起始报文，发起上层平面路由建立；

S52：汇聚节点一跳以内簇头与伪簇头节点接收到汇聚节点发出的所述起始报文，保存自身路由信息并转发路由扩散报文；

S53：簇头与伪簇头节点进行路由扩散报文转发时，均将自身路由信息加入报文中；

S54：若簇头与伪簇头节点先后收到多条路由扩散报文，则选择路径能量最优的路由路径并保存转发；

S55：所有簇头与伪簇头加入所述上层平面路由，并将路由表逐级上报至所述汇聚节点。

进一步地，所述步骤S7进一步包括：

S71：所述簇头根据选举过程中收集的所述簇内节点能量信息计算所述节点初始平均能量；

S72：所述簇头以簇内节点初始平均能量为逼近目标；

S73：每轮数据采集结束，所有簇头判断自身当前能量是否大于所述逼近目标；

S74：若任意一个簇头剩余能量不大于所述逼近目标，则向所述汇聚节点发送所述簇头轮换消息。

通过采用本发明所公开一种农田无线自组织网络拓扑密度关联路径选择优化方法，根据不同区域节点拓扑密度不同，采用网状、簇（星）状结构相结合的混合路由方式，对数据传输路径进行优化选择，确保网络节点的连通接入，降低路由算法的性能、能耗开销，以节点能耗为约束，高效、准确的解决网络性能与能耗之间的平衡问题，同时，解决了现有技术算法开销大，成簇协议无法保证节点连通性，平面路由协议报文风暴等问题，采用节点密度关联成簇，根据节点分布情况完成成簇，提高成簇效率，采用能量逼近簇头轮换的方式，减少簇头选择次数，提高网络整体能效。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了本发明实施例中的一种农田无线自组织网络拓扑密度关联路径选择优化方法的步骤流程图；

图2示出了本发明实施例中的拓扑密度关联的能耗计算动态成簇步骤流程图；

图3示出了本发明实施中的双向扩散平面路由方法步骤流程图；

图4示出了本发明实施例中的一种农田无线自组织网络拓扑节点密度关联路径选择优化方法示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。

如图1所示，本发明提供了一种农田无线自组织网络拓扑密度关联路径选择优化方法，包括具体以下步骤：

步骤S1：计算节点能量进行投票，确定簇头。其中，节点根据完成组网采集上传的顺序不同先后进入休眠状态。

具体地，所有节点同时开始进行簇头选举，按节点剩余能量高低在邻居节点中选取剩余能量最高者进行投票，各节点将所得票数进行拓扑密度加权，最终票数最多的节点成为簇头。周边节点选择可达簇头加入该簇，该过程中还包括能量逼近式簇头轮换机制。

进一步地，大规模农田无线自组织网络应用中存在网络规模大、节点分布不均、总体监测时间长、采集间隔大、信道条件负责、能量约束严格等问题，区别于无线自组织传统研究，如何满足大规模网络再复杂环境下的基本采集型能要求与有限能耗之间的平衡成为了农田无线自组织网络路由协议的研究重点。

进一步地，步骤S1进一步包括：

步骤S11：对任意节点中的一个节点进行自我能量计算操作，获取节点剩余能量信息、拓扑功率控制后的发射功率。

步骤S12：以发射功率向拓扑邻居节点发送节点信息。其中，节点信息包含节点的节点ID、节点剩余能量以及除此节点外的其余节点属性信息。

步骤S13：节点根据收到拓扑邻居节点反馈的节点信息，比较邻居节点的剩余能量信息。

步骤S14：选取剩余能量最高的邻居节点，向其发送投票消息。

步骤S15：根据节点所在区域的拓扑密度指标以及节点的能量等级计算节点的选举权重，

计算公式为：

其中，节点i记录拓扑邻居数量，作为节点拓扑密度指标，记为节点度ND_i；节点i收到邻居节点发来的投票消息后，累加得出总票数作为节点能量等级V_i。

步骤S16：节点向邻居节点广播自身选举权重。

步骤S17：若某节点的选举权重大于其所有邻居节点的选举权重，则该节点成为簇头并广播成簇消息。

步骤S11-步骤S17还有以下特点，为了避免出现某区域节点密度过高，而造成簇头负担过重的情况，对簇头可支持的最大节点数设定限制，若超出该最大限制，则不再接收节点加入，簇头优先接收距自身较近，即接收信号强度大的节点进行成簇。最后所有未能加入簇的节点，称为相对孤立节点，进入混合路由构建阶段。簇头可支持的最大节点数量根据其与汇聚节点间的距离，即跳数决定，在完成混合路由构建后，将对离汇聚节点较近的簇内节点数量进行相应调整。

更进一步地，步骤S17之后还包括：当节点收到簇头广播的成簇消息，按预设规则选择一个簇头，发送反馈消息并加入簇，簇头根据反馈消息计算簇内节点平均能量。

步骤S2：簇头接收预设阈值内的节点加入，进行成簇操作。

步骤S3：对于未完成成簇操作的节点按预计方法成为簇内子节点。

具体地，对于未完成成簇操作的节点以平面扩散路由方式搜索网络接入点，并成为接入点所在簇的簇内子节点。

步骤S4：在簇内子节点中选取能量优势节点作为伪簇头。

进一步地，步骤S4进一步包括：

步骤S41：获取簇内节点平均能量。

步骤S42：判断子节点的能量与其接入簇内节点平均能量的大小。

步骤S43：若子节点的能量小于簇内节点平均能量，则簇内子节点为能量弱势节点，若子节点的能量大于簇内节点平均能量，则簇内子节点为能量优势节点，作为伪簇头。

具体地，所有相对孤立节点，发送平面扩散路由报文，选择邻近节点加入，成为该簇的子节点，若同时有多相邻居节点，则优先选择选举权重大的节点；.相对孤立节点通过链接节点成为某簇的子节点，获取该簇内节点平均能量，判断自身是能量状态，若小于簇内节点平均能量，则为能量弱势节点，保持子节点状态不变，若大于簇内节点平均能量，则为能量优势节点，成为“伪簇头”，与簇头一同进行上层平面路由构建。

进一步地，所有节点进行环境信息采集，此时，所有伪簇头均视为簇头，与汇聚节点进行上层平面路由组网。成簇过程中，所有节点工作在普通模式，其通信半径为拓扑控制后的调整结果，大于介于普通模式下的最大通信半径与最小通信半径之间；由簇头和伪簇头节点组成的上层主干平面路由网络工作在增强模式，簇头节点通信半径一般为普通模式最大通信半径的3－5倍，与节点硬件设计和节点部署分布有关，具体数值与本发明主要内容无关，在本发明中能保证相邻簇头间正常通信即可，在平面扩散路由环节，一跳范围以增加通信半径计算。

步骤S5：根据簇头与伪簇头进行反向扩散组网。

进一步地，步骤S5进一步包括：

步骤S51：汇聚节点发送反向路由扩散起始报文，发起上层平面路由建立。

步骤S52：汇聚节点一跳以内簇头与伪簇头节点接收到汇聚节点发出的起始报文，保存自身路由信息并转发路由扩散报文。步骤S53：簇头与伪簇头节点进行路由扩散报文转发时，均将自身路由信息加入报文中。

步骤S54：若簇头与伪簇头节点先后收到多条路由扩散报文，则选择路径能量最优的路由路径并保持转发。特殊地，先收到的路由报文转发次数少，则能量最优。

步骤S55：所有簇头与伪簇头加入上层平面路由，并将路由表逐级上报至汇聚节点。

具体地，由汇聚节点广播反向路由扩散起始报文，发起上层平面路由建立；汇聚节点一跳以内簇头节点接收到汇聚节点发起的路由建立报文后，保存自身路由信息，并转发路由扩散报文，报文中包含该节点的路由信息；.其余簇头节点收到其他簇头节点发送的路由扩散报文，保存路由信息，并在报文中加入自身路由信息继续转发，若某节点先后收到多条路由扩散报文，则选择路径能量最优的路由路径，一般来说先收到的路由报文，转发次数少能量最优；重复以上循环，直到所有簇头均加入路由。

进一步地，当完成上层平面路由建立后，网络路由即建立完成。由簇头发起数据回传上报，所有节点将采集到的环境参数进行回传上报。

步骤S6：所有节点通过组网路由进行环境信息采集与上报。

步骤S7：判断是否有簇头达到能量逼近目标。

进一步地，步骤S7进一步包括：

步骤S71：簇头根据选举过程中收集的簇内节点能量信息计算节点初始平均能量。

步骤S72：簇头以簇内节点初始平均能量为逼近目标。

步骤S73：每轮数据采集结束，所有簇头判断自身当前能量是否大于逼近目标。

步骤S74：若任意一个簇头剩余能量不大于逼近目标，则向汇聚节点发送簇头轮换消息。

进一步地，当某节点i第一次当选簇头时，根据选举过程中收集的簇内节点能量信息求得节点初始平均能量，记为簇头i以节点初始平均能量为逼近目标，每轮数据采集结束时，所有簇头判断自身当前能量是否大于逼近目标，即如有任意一簇头不满足该条件，则向汇聚节点发送簇头轮换消息，下一轮采集开始时进行簇头轮换选举，如所有节点均满足该条件，则保持当前簇头不变；若进行簇头轮换选举，则按拓扑密度关联的能耗计算动态成簇阶段的成簇及簇头选举方法进行，成簇完成后跳转到最开始的过程继续簇头能量逼近。

步骤S8：若存在簇头达到能量逼近目标，则标记下一轮进行簇头选举，结束本轮采集，若不存在簇头达到能量逼近目标，则本轮采集结束。即簇头节点与汇聚节点组成主干网络，从汇聚节点自上而下进行反向扩散，由汇聚节点发出报文，一跳簇头接收到报文后，记录自身路由信息，并继续转发报文，直到所有簇头节点加入主干路由。

本发明根据节点拓扑密度分布情况完成成簇，提高成簇效率，采用能量逼近簇头轮换的方式，减少簇头选择次数，提高网络整体能效，采用网簇结合的混合路由方式，解决了边缘节点连通性与报文风暴等问题，提高网络整体性能与效率。

为了便于理解与应用本发明实施例中的农田无线自组织网络拓扑密度关联路径选择优化方法，图2与图3分别对拓扑密度关联的能耗计算动态成簇的步骤以及双向扩散平面路由方法的步骤进行详细说明。如图2所示，本发明实施例中的拓扑密度关联的能耗计算动态成簇步骤流程图。

具体地，步骤S21：节点自我能耗计算广播能量信息。

步骤S22：接收对比邻居节点能量并向能量最高的节点投票。

步骤S23：收集投票结合自身节点度计算选举权重。

步骤S24：向邻居节点广播权重信息。

步骤S25：判断节点权重信息是否为局部最大权重。

步骤S26：若节点权重为局部最大权重，则该节点成为簇头，广播成簇消息，否则等待接收簇头成簇消息。

步骤S27：接收普通节点加入簇。

步骤S28：判断是否收到成簇消息。

步骤S29：如果收到成簇消息，则按预设规则选择一个簇头并加入。

步骤S30，如果未收到成簇消息，则成为相对孤立节点。

如图3所示，本发明实施例中的双向扩散平面路由方法步骤流程图。

具体地，步骤S31：相对孤立节点发送路由扩散报文。

步骤S32：选择可达节点建立连接，若有多个可达节点则选择权重高节点。

步骤S33：获取连接点所在簇的节点平均能量。

步骤S34：判断孤立节点能量是否大于接入簇的节点的平均能量。

步骤S35：若孤立节点能量大于接入簇的节点的平均能量，则能量优势孤立节点成为伪簇头。

步骤S36：若孤立节点能量不大于接入簇的节点的平均能量，则能量劣势孤立节点成为簇内子节点。

步骤S37：汇聚节点发送反向扩散路由报文。

步骤S38：簇头或伪簇头判断收到报文路由跳数是否小于自身路由跳数。

步骤S39：若收到报文内路由跳数小于自身路由跳数，则收到报文簇头记录自身路由信息。

步骤S40：若收到报文内路由跳数不小于自身路由跳数，则忽略该报文。

步骤S41：报文内加入自身路由继续转发。

步骤S42：所有簇头与伪簇头均加入平面路由后将路由表逐级上报至汇聚节点。

如图4示出，本发明实施例中的一种农田无线自组织网络拓扑节点密度关联路径选择优化方法示意图。

具体地，例如：对于任意节点i进行自我能量计算，获取节点剩余能量信息RE_i拓扑功率控制后的发射功率P（i）向其拓扑邻居节点广播节点消息，消息中包含节点i的节点ID和节点剩余能量等信息；节点i收到其拓扑邻居节点发来的广播消息，比较所有邻居节点的剩余能量信息，选取剩余能量最大的节点j，向其发送投票消息；节点i记录拓扑邻居数量，作为节点拓扑密度指标，记为节点度ND_i；节点i收到邻居节点发来的投票消息后，累加得出总票数作为节点能量等级V_i；结合节点拓扑密度指标，计算节点选举权重。计算公式如下：

节点i向邻居节点广播选举权重，若收到邻居节点的权重信息大于自身信息，则不发送自身权重；最后一个广播选举权重信息的节点，其选举权重最高，成为簇头，广播成簇消息；其余节点收到簇头的成簇消息后，发送加入消息，加入该簇，若节点收到多个簇头的成簇消息，则选择节点度小的簇头加入。

本发明所公开的一种农田无线自组织网络拓扑密度关联路径选择优化方法，集成平面路由和分簇路由两种路由方式的优点，建立形成网簇结合的混合路由方式，其优势在于，局部成簇大大减少了参与平面网状路由中的节点数量，避免了大规模网络建立、维护路由表的开销与低效，同时网簇混合方法可很好解决了成簇算法无法保证边缘节点连通性的问题，将簇头加入平面网状路由中避免了远端簇头节点直接与汇聚节点通信的巨大发射能耗。

进一步地，本发明公开的一种农田无线自组织网络拓扑密度关联路径选择优化方法中的节点拓扑密度关联成簇机制，在簇头选择时不仅考虑节点能量同时还要考虑节点所在区域的节点拓扑密度，所在区域拓扑密度大的节点有更高的优先级成为簇头，充分发挥成簇路由对于集群节点效率高的优势；同时还包括了一种能量逼近式簇头轮换机制，在进行一次簇头选择之后，由该簇头持续担任簇头角色，以选择时的簇内平均节点能量为逼近目标，当簇头剩余能量小于或等于逼近目标时，簇头不再担任下一轮次的簇头，重新进行簇头选择。该方法的优势在于避免了频繁的簇头选择，节约了算法开销，虽然短时间内的能耗均衡效果不佳，但长期看来，仍保持了良好的能量均衡效果。

更进一步地，本发明提出星网结合的混合路由方式采用双层设计，上层采用平面路由协议，下层采用成簇路由协议，优势互补，成簇路由有效解决了平面路由在大规模网络中报文风暴以及路由表维护开销大等问题，而平面路由则根本性解决了成簇路由无法保证网络连通性的问题，其中，簇头选择是成簇路由的关键，本发明中包括的拓扑密度关联的成簇机制，网络节点密集区节点大概率成簇，效率高，而稀松区小概率成簇，结合采用平面路由方式，可避免成簇协议在节点分散区的低效率或无法实现网络连通的问题，同时，本发明中还包括的能量逼近式簇头轮换机制，减少了进行簇头选择的轮次，簇头在连续轮次内保持恒定，也减少了上层平面路由的频繁维护更新，减少了协议开销。

通过采用本发明所公开一种农田无线自组织网络拓扑密度关联路径选择优化方法，根据不同区域节点拓扑密度不同，采用网状、簇（星）状结构相结合的混合路由方式，对数据传输路径进行优化选择，确保网络节点的连通接入，降低路由算法的性能、能耗开销，以节点能耗为约束，高效、准确的解决网络性能与能耗之间的平衡问题，同时，解决了现有技术算法开销大，成簇协议无法保证节点连通性，平面路由协议报文风暴等问题，采用节点密度关联成簇，根据节点分布情况完成成簇，提高成簇效率，采用能量逼近簇头轮换的方式，减少簇头选择次数，提高网络整体能效。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (8)

1.农田无线自组织网络拓扑密度关联路径选择优化方法，其特征在于，包括具体以下步骤：

S1：计算节点能量进行投票，确定簇头；

S2：所述簇头接收预设阈值内的节点加入，进行成簇操作；

所述预设阈值包括：为了避免出现某区域节点密度过高，而造成簇头负担过重的情况，对簇头可支持的最大节点数设定限制，若超出该最大限制，则不再接收节点加入，簇头优先接收距自身较近，即接收信号强度大的节点进行成簇；簇头可支持的最大节点数量根据其与汇聚节点间的距离，即跳数决定；

S3：对于未完成所述成簇操作的节点按预设方法成为簇内子节点；

所述预设方法包括：对于未完成成簇操作的节点以平面扩散路由方式搜索网络接入点，并成为接入点所在簇的簇内子节点；

S4：在所述簇内子节点中选取能量优势节点作为伪簇头；

S5：根据所述簇头与所述伪簇头进行反向扩散组网；

S6：所有节点通过组网路由进行环境信息采集与上报；

S7：判断是否有簇头达到能量逼近目标；

S8：若存在簇头达到所述能量逼近目标，则标记下一轮进行所述簇头选举，结束本轮采集，若不存在簇头达到所述能量逼近目标，则本轮采集结束；

其中，步骤S1进一步包括：

S11：对任意节点中的一个所述节点进行自我能量计算操作，获取所述节点剩余能量信息、拓扑功率控制后的发射功率；

S12：以所述发射功率向拓扑邻居节点发送所述节点信息；

S13：所述节点根据收到所述拓扑邻居节点反馈的节点信息，比较邻居节点的剩余能量信息；

S14：选取剩余能量最高的邻居节点，向其发送投票消息；

S15：根据节点所在区域的拓扑密度指标以及节点的能量等级计算节点的选举权重：

计算公式为：

其中，节点i记录拓扑邻居数量，作为节点拓扑密度指标，记为节点度ND_i；节点i收到邻居节点发来的投票消息后，累加得出总票数作为节点能量等级V_i；

S16：节点向邻居节点广播自身选举权重；

S17：若某节点的选举权重大于其所有邻居节点的选举权重，则该节点成为簇头并广播成簇消息。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对于未完成所述成簇操作的节点以平面扩散路由方式搜索网络接入点，并成为接入点所在簇的簇内子节点。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述节点根据完成组网络采集上传的顺序不同先后进入休眠状态。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S17之后还包括：

当节点收到所述簇头广播的成簇消息，按预设规则选择一个簇头，发送反馈消息并加入所述簇，簇头根据反馈消息计算簇内节点平均能量；

所述预设规则包括：节点收到簇头的成簇消息后，发送加入消息，加入该簇，若节点收到多个簇头的成簇消息，则选择节点度小的簇头加入。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述节点信息包含节点ID、节点剩余能量以及除此节点外的其余节点属性信息。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4进一步包括：

S41：获取所述簇内节点平均能量；

S42：判断子节点的能量与其接入簇内节点平均能量的大小；

S43：若所述子节点的能量小于所述簇内所述节点平均能量，则所述簇内子节点为能量弱势节点，若所述子节点的能量大于所述簇内所述节点平均能量，则所述簇内子节点为所述能量优势节点，作为所述伪簇头。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S5进一步包括：

S51：汇聚节点发送反向路由扩散起始报文，发起上层平面路由建立；

S52：汇聚节点一跳以内簇头与伪簇头节点接收到汇聚节点发出的所述起始报文，保存自身路由信息并转发路由扩散报文；

S53：簇头与伪簇头节点进行路由扩散报文转发时，均将自身路由信息加入报文中；

S54：若簇头与伪簇头节点先后收到多条路由扩散报文，则选择路径能量最优的路由路径并保存转发；

S55：所有簇头与伪簇头加入所述上层平面路由，并将路由表逐级上报至所述汇聚节点。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S7进一步包括：

S71：所述簇头根据选举过程中收集的所述簇内节点能量信息计算所述节点初始平均能量；

S72：所述簇头以簇内节点初始平均能量为逼近目标；

S73：每轮数据采集结束，所有簇头判断自身当前能量是否大于所述逼近目标；

S74：若任意一个簇头剩余能量不大于所述逼近目标，则向汇聚节点发送所述簇头轮换消息。