CN101227413B - 一种应用于无线传感器网络的分簇节能路由方法 - Google Patents

Abstract

一种应用于无线传感器网络的分簇节能路由方法，本发明是基于簇头预测和功率控制的分簇节能路由方法，利用节点的剩余能量参数和距离参数对簇头进行预测，减少了频繁构造簇以及簇头选举的巨大开销；并将功率控制这一机制引入分簇路由和数据传输的过程中，从而使节点的平均能耗降低，进一步延长了网络的生命周期。

Description

一种应用于无线传感器网络的分簇节能路由方法

技术领域

本发明涉及一种应用于无线传感器网络的分簇节能路由方法。本发明适用于无线网络应用领域，尤其适用于无线传感器网络应用领域。

背景技术

无线传感器网络(wireless sensor network，WSN)是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点和汇聚节点(sink节点)组成，传感器节点通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并将观测值返回给sink节点。传感器节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池，由于传感器节点个数多、成本要求低廉、分布区域广，而且部署区域环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，所以传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的，因此如何减少节点的能量消耗、进而延长网络的生存周期成为无线传感器网络协议设计的重要目标。

无线传感器网络与ad hoc、无线局域网等传统的无线网络有所不同。ad hoc、无线局域网等传统无线网络的首要目标是提供高服务质量和公平高效地利用网络带宽，这些网络路由协议的主要任务是寻找源节点到目的节点间通信延迟小的路径，同时提高整个网络的利用率，避免产生通信拥塞并均衡网络流量等，而能量消耗不是这类网络考虑的重点。在无线传感器网络中，节点能量有限且一般没有能量补充，因此路由协议需要高效利用能量，不仅要选择能量消耗小的消息传输路径，而且要从整个网络的角度考虑，选择使整个网络能量均衡消耗的路由。

节能路由算法最近已引起研究人员的重视。目前已提出的大部分节能路由算法都是基于分簇机制的，将WSN中的节点分为簇头节点和簇内节点，其中簇内节点负责感知数据，并将感知到的数据传输给簇头节点，簇头节点则协调簇内节点的工作，负责数据的融合和转发，因此簇头节点的能量消耗相对较大，所以分簇算法通常采用周期性地选择簇头节点的做法以均衡网络中的节点能量消耗。分簇路由算法有很多优点，例如，由簇头节点担负数据融合的任务，减少了数据通信量；分簇式的拓扑结构有利于分布式算法的应用，适合大规模部署的网络；由于大部分节点在相当长的时间内关闭无线通信模块，所以显著地延长了整个网络的生命周期。但在目前已提出来的分簇路由算法中，都是每进行一次数据传输后再重新进行簇的构造过程，而簇的构造过程是非常耗费能量的；而且目前的分簇算法没有考虑到节点间距离的因素，所有节点一直采用相同的传输功率，这在有限能量的环境下已凸现不适用性。

发明内容

为了克服现有的分簇路由算法的不足，本发明提供一种应用于无线传感器网络的基于簇头预测和功率控制的无线传感器网络节能路由方法，解决无线传感器网络簇的构造和路由的能量消耗问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于簇头预测和功率控制的无线传感器网络节能路由方法；包括以下步骤；大循环小轮次运行的步骤；每一次大循环后要重新构造簇和重新分配传输的TDMA(时分多址)时隙表的步骤；每一次大循环由R次小轮次步骤组成，小轮次步骤包含数据收集步骤、数据处理步骤和簇头预测步骤。

构造簇和重新分配传输的TDMA时隙表的步骤有：

步骤1、构造簇，Sink节点根据上一次循环中最后一轮所收集到的网络信息来确定一个所有传感器节点广播Hello消息的发射功率级别，传感器节点之间通过Hello消息的广播来确定簇头节点和簇内节点；

步骤2、分配TDMA时隙，簇头节点根据自己簇内节点的数目产生一个时分复用TDMA时隙表，并广播给簇内成员节点，TDMA时隙表中为每个簇内节点指定了其数据传输的所属时隙；

小轮次步骤有：

步骤1、数据传输阶段，每个簇内节点在属于自己的时隙到来时，将感知的数据和自己的剩余能量值传输给簇头；

步骤2、数据处理阶段，簇头对簇内每个节点的剩余能量值进行记录。当簇内所有节点都传输了数据后，簇头节点对所有的感知数据进行融合后发送给Sink节点；

步骤3、簇头预测阶段，在此阶段，当前轮的簇头和簇内节点通过对距离和节点剩余能量等参数的分析协商预测下一轮的簇头节点和簇内节点的传输功率级别，协商好的消息由新的簇头广播给簇内所有节点，这时下一轮簇头在当前轮的TDMA时隙就转给当前轮的簇头来进行传输数据，省去了重新分配TDMA时隙的过程，节省了时间和能量。

本发明的有益效果是，

1、不是每一次传输数据后都构造簇，而是R轮之后才重新构造簇，R值可根据实际情况进行预置或更新，极大地减少了构造簇所消耗的能量。

2、簇头的选择不是随机的，而是根据每轮之后节点的剩余能量值对下一轮的簇头节点作出预测，不会选择到剩余能量值低的节点作为簇头。

3、分簇是均匀的，均匀分簇包括两个含义：一是簇内节点数目大体相同；二是簇的物理范围大体相当。

4、引入功率控制机制，使得每个节点传输数据的能量最小化，不会产生能量浪费。

5、不必每轮传输数据之前都广播这一轮的TDMA时隙表，采取的方法是将预测的下一轮簇头在当前轮的TDMA时隙转给当前轮的簇头在下一轮中进行数据传输使用，这样省去了重新分配TDMA时隙的过程，减少了数据传输时延和节点的能量消耗。

附图说明

图1网络内节点收发信机开启/关闭的情况；

图2Sink节点行为的流程图；

图3构造簇的流程图；

图4簇成员节点行为的流程图；

图5簇头节点行为的流程图。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

具体实施方式

如图1所示，一种基于簇头预测和功率控制的无线传感器网络节能路由方法；包括大循环小轮次运行的步骤有大循环1、大循环2、大循环3、大循环4、大循环5、大循环6等等；每一次大循环后要重新构造簇和重新分配传输的TDMA时隙表的步骤；每一次大循环由R次小轮次步骤组成，小轮次步骤包含数据收集阶段步骤、数据处理阶段步骤和簇头预测阶段步骤。

如图2所示：Sink节点行为，假设每个传感器节点的功率级别划分为五级，一级表示功率级别最低，五级表示最高的功率级别。Sink节点在每一次大循环后广播的Start消息中需附带传感器节点在下一次大循环中应使用的传输功率值，在网络初始运行时，附带的功率级别为最小级别的一级，Sink节点在每个小轮次等待接收各簇头发来的融合数据，在每一次大循环的最后一轮(即第R轮)，簇头节点给Sink节点传输融合数据时还需上报本簇内不活动的节点的数目，由Sink节点统计全网内不活动的节点总数，本方法法中规定每当不活动的节点与原节点总数目之比提高10％时，Sink节点每一次大循环后广播的Start消息中所附带的传输功率值就提高一个级别。当功率级别已经调整到最高的五级之后，即使不活动的节点数目又多了，节点广播Hello消息的功率级别也不变化了，将始终保持在五级上。

如图3所示：传感器节点构造簇的步骤包括：

1、每个节点接收到Sink节点广播的Start消息后，采用消息中的附带的发射功率级别数值来广播一个Hello消息给它的邻居节点。Hello消息的TTL值设为1，因为只需要集合节点一跳之内的邻居节点。

2、每个节点记录接收到的Hello消息，即它的一跳内邻居节点数目，每个节点根据接收到的Hello消息记录自己的一跳内邻居节点数目。

3、定义一个系统参数簇成员数目(Cluster Member Number，简称CMN)，当一个节点的邻居数目达到CMN后，在一段随机延时t(t∈[0，τ]，τ是一个预先确定的系统参数)后该节点就广播一个广告消息给它的一跳邻居节点，这个广告消息是通知每个邻居节点“我是簇头”。这样做保证了簇的均匀划分，不会出现大小相差太多的簇。需要注意的是如果一个节点先收到这个广告消息，那么即使后来邻居数达到CMN，该节点也不会再广播广告，这个行为的目的是限制在一个无线传输范围内只有一个簇头。而经过随机延时后再发布“我是簇头”的广告可以有效地避免两个相近节点同时发布广告，产生碰撞，不会有一个范围内分成两个簇的情况发生。

4、在一段时间后，每个节点根据接收到的广告信息的信号强度选择要加入的簇头并返回一个加入信息给簇头，成为簇内成员节点，在这个加入簇的信息中需附带每个簇内节点的位置信息。这之后，每个簇头就清楚了它的簇内成员、簇内成员节点的数目以及每个簇内成员的位置信息。

如图4所示：描述簇成员节点在小轮次中的行为流程。当传感器节点成为簇成员节点后，从簇头节点处获知分配给自己的TDMA时隙。在小轮次的步骤1数据传输阶段，每个簇内节点在属于自己的时隙到来时，将感知的数据和自己的剩余能量值传输给簇头。每个簇内节点的收发信机只有在属于自己的时隙到来的阶段才处于开启状态，其他的时间都是关闭的，这样可以节约节点的能量。在小轮次步骤3簇头预测阶段，如果簇成员节点收到原簇头发送给自己的簇成员信息维护表，表明该簇成员节点被预测为新簇头，该簇成员节点收到信息后回复一个ACK(即确认)信息，表明接收到了这一任命。然后新簇头节点根据表格里的簇成员信息计算每个节点距自己的距离，根据最远的距离选择一个合适的传输功率值，以该功率值广播“我是新的簇头”广告给所有的簇内节点，每个簇内节点根据这个广告的信号强度值动态的调整自己的发射功率即可。原来的簇头节点此时成为簇成员节点，TDMA时隙表中原属于新簇头的时隙转给原簇头使用。其他簇内成员收到新簇头的广告，保持其簇内成员身份和所属时隙不变。所有簇内成员节点关闭收发信机，等待下一轮中自己的时隙到来给新的簇头节点发送感知数据和剩余能量。

如图5所示：描述簇头节点在小轮次中的行为流程。当传感器节点成为簇头节点后，根据本簇内成员节点数目生成一个TDMA时隙表，广播给簇内所有节点。在小轮次步骤1数据传输阶段，簇头节点的接收机一直处于开启状态，接收来自簇内各节点的感知数据和剩余能量，簇头对簇内每个节点的剩余能量值进行记录。在小轮次步骤2数据处理阶段，当簇内所有节点都传输了数据后，簇头节点对所有的感知数据进行融合后发送给Sink节点。在小轮次步骤3簇头预测阶段，簇头预测的出发点为：希望选择距离原簇头较近的节点作为新簇头，保持整个簇的结构也不会发生太大的变化；或希望选择剩余能量较多的节点作为新的簇头。簇头会维系一张关于簇内节点信息的表格，表格数据格式为：簇内节点i(节点i的位置信息L_i，节点i的剩余能量E_i)。簇头需过计算每个簇成员节点q_i值来预测新的簇头，q_i值通过(1)式得到：

S_i表示簇内节点i到当前簇头节点的距离信息，每个S_i通过L_i和簇头节点自己的位置信息可以迅速地得到。根据簇头预测原则，原簇头将选择q_i最小的簇成员节点作为新一轮次中的簇头。原簇头给选中的节点发送自己维护的簇成员信息表，表明该节点被选作新一轮的簇头。如果收到选中节点的确认ACK，表明协商成功，如果没有收到ACK，则需重发或选择其他节点。协商成功后，新一轮簇头在当前轮的TDMA时隙就转给原簇头在新一轮来传输数据，省去了重新分配TDMA时隙的过程，节省了时间和能量。当原簇头接收到“我是新的簇头”的广告后，根据广告信号强度确定自己在新一轮次中的发射功率级别，等待属于自己的时隙到来发送数据。

Claims (3)

1.一种基于簇头预测和功率控制的无线传感器网络节能路由方法；包括以下步骤；大循环小轮次运行的步骤；每一次大循环后要重新构造簇和重新分配传输的TDMA时隙表的步骤；每一次大循环由R次小轮次步骤组成，R为自然数，小轮次步骤包含数据收集步骤、数据处理步骤和簇头预测步骤；

构造簇和重新分配传输的TDMA时隙表的步骤有：

步骤1、构造簇，Sink节点根据上一次循环中最后一轮所收集到的网络信息来确定一个所有传感器节点广播Hello消息的发射功率级别，传感器节点之间通过Hello消息的广播来确定簇头节点和簇内节点；

步骤2、分配TDMA时隙，簇头节点根据自己簇内节点的数目产生一个时分复用TDMA时隙表，并广播给簇内成员节点，TDMA时隙表中为每个簇内节点指定了其数据传输的所属时隙；

小轮次步骤有：

步骤1、数据传输阶段，每个簇内节点在属于自己的时隙到来时，将感知的数据和自己的剩余能量值传输给簇头；

步骤2、数据处理阶段，簇头对簇内每个节点的剩余能量值进行记录，当簇内所有节点都传输了数据后，簇头节点对所有的感知数据进行融合后发送给Sink节点；

步骤3、簇头预测阶段，当前轮的簇头和簇内节点通过对距离和节点剩余能量参数的分析协商预测下一轮的簇头节点和簇内节点的传输功率级别，协商好的消息由新的簇头广播给簇内所有节点，这时下一轮簇头在当前轮的TDMA时隙就转给当前轮的簇头来进行传输数据，省去了重新分配TDMA时隙的过程。

2.根据权利要求1所述的一种基于簇头预测和功率控制的无线传感器网络节能路由方法，其特征是：

1)不是每一次传输数据后都构造簇，而是R轮之后才重新构造簇；

2)簇头的选择不是随机的，而是根据每轮之后节点的剩余能量值对下一轮的簇头节点作出预测，不会选择到剩余能量值低的节点作为簇头；

3)分簇是均匀的，均匀分簇包括两个含义：一是簇内节点数目大体相同；二是簇的物理范围大体相当；

4)引入功率控制机制，使得每个节点传输数据的能量最小化；

5)不必每轮传输数据之前都广播这一轮的TDMA时隙表，采取的方法是将预测的下一轮簇头在当前轮的TDMA时隙转给当前轮的簇头在下一轮中进行数据传输使用，这样省去了重新分配TDMA时隙的过程。

3.根据权利要求1所述的一种基于簇头预测和功率控制的无线传感器网络节能路由方法，其特征是：

簇头预测阶段，簇头预测的出发点为：选择距离原簇头较近的节点作为新簇头或选择剩余能量较多的节点作为新的簇头；簇头维系一张关于簇内节点信息的表格，表格数据格式为：簇内节点i，节点i的位置信息L_i，节点i的剩余能量E_i；簇头通过计算每个簇成员节点q_i值来预测新的簇头，q_i值通过(1)式得到：

S_i表示簇内节点i到当前簇头节点的距离信息，每个S_i通过L_i和簇头节点自己的位置信息可以迅速地得到，根据簇头预测原则，原簇头将选择q_i最小的簇成员节点作为新一轮次中的簇头，原簇头给选中的节点发送自己维护的簇成员信息表，表明该节点被选作新一轮的簇头，如果收到选中节点的确认ACK，表明协商成功，如果没有收到ACK，则需重发或选择其他节点，协商成功后，新一轮簇头在当前轮的TDMA时隙就转给原簇头在新一轮来传输数据。

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