CN101557636A - 一种无线传感器网络路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种无线传感器网络路由方法，传感器网络节点通过非均匀分簇算法完成分簇后，把数据都发送到相应的簇首，各簇首再通过多跳的方式把数据发送到和汇聚点Sink距离小于阈值DIS的簇首上，再在与Sink距离小于阈值DIS的簇首中选择一个主簇首，所有簇首的数据都聚合到主簇首，经过融合与压缩后发送到Sink。本发明使得簇首所耗能量总量相应地减少，选择主簇首的策略能较好地均衡了网络能耗，从而高效地利用了网络中有限的能量。

Description

一种无线传感器网络路由方法

技术领域

本发明属于无线传感器网络路由领域，是一种高数据融合的非均匀分簇的无线传感器网络路由方法。

背景技术

无线传感器网络常应用于各种布线和电源供给困难的区域、人员不能到达的区域(如受到污染、环境不能被破坏或敌对区域)和一些临时场合(如发生自然灾害时，固定通信网络被破坏)等。无线传感器网络中传感器节点的能量资源、计算能力和带宽都非常有限，而且节点十分密集，设计有效的策略延长网络的生命周期成为无线传感器网络的首要问题。路由协议是网络节点相互通信的基础，无线传感器网络路由协议负责寻找一条传输路径，将数据分组从数据源节点通过网络多跳转发至目标节点。设计合理的路由协议对降低及平衡网络中节点的能耗，延长网络的存活时间有着重要意义。

基于簇的路由协议是目前研究人员比较关注的一类无线传感器网络路由协议。在基于簇的路由协议中，网络被划分为一些各自独立的簇。每个簇由一个簇首和多个簇内成员组成，簇首根据一定的算法机制选出，用于管理或控制整个簇内成员节点，协调成员节点之间的工作，负责簇内信息的收集、数据的融合处理和簇间转发以及最终和网关(Sink)通信。簇的建立和簇首的特定任务分配对于整个系统的可扩展性、网络寿命和能量有效性的提高具有很重要的意义，典型的基于簇的路由协议有LEACH、TEEN、APTEEN、GAF以及HEED等。

这些基于簇的路由协议中，由于簇首距离Sink的距离一般较远，所以在簇首和Sink之间通信时采取多跳的方式(即通过簇首组成的骨干网实现多跳路由)更有利于节约能量。而且采用簇首转发数据的方法，传输链路经过的跳数较少，网络延时也较小。但是当簇首以多跳通信的方式将数据传输至Sink时，靠近Sink的簇首由于转发大量数据而负载过重，可能过早耗尽能量而失效，这就导致了所谓的“热区”问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，设计一种能有效平衡整个系统的能耗，延长网络存活时间的无线传感器网络路由方法。

为了实现本发明目的，本发明包括如下技术方案：一种无线传感器网络路由方法，其特征在于包括如下步骤：

(A)传感器网络部署阶段，汇聚点Sink用一个给定的发送功率向网络内广播信号，每个传感器节点在接收到信号后，根据接收信号的强度计算自身到汇聚点Sink的距离；

(B)对无线传感器网络中的传感器节点进行非均匀分簇，使簇的半径与簇首到汇聚点Sink的距离呈递减关系，并确定簇首和加入簇首的普通节点；

(C)在传输数据的稳定阶段，引入阈值DIS，所有和汇聚点Sink距离大于阈值DIS的簇首都把数据通过多跳的方式发送到和汇聚点Sink距离小于DIS的簇首上，再在与汇聚点Sink距离小于阈值DIS的簇首中选择一个主簇首，所有簇首的数据都聚合到主簇首，经过融合与压缩后发送到汇聚点Sink。

更进一步的，所述步骤(B)具体包括如下步骤：

(B1)依预先设定的普通节点成为候选簇首的概率T，在网络中选出部分节点成为候选簇首参与簇首竞选，未参与竞选的节点进入睡眠状态，直到簇首竞选过程结束；

(B2)候选簇首根据自身到汇聚点Sink的距离信息计算其竞争区域，区域的半径记作R_c，竞争区域半径与候选簇首节点到汇聚点Sink的距离呈线性递减关系；

(B3)每个候选簇首节点维护一个邻簇首集合S_CH，在这个集合内依据当前各节点的剩余能量高低竞争选出最终簇首；

(B4)未参与竞选的节点从睡眠状态唤醒，然后竞选产生的簇首就向全网广播其竞选获胜的消息，普通节点选择簇内通信代价最小亦即接收信号强度最大的簇首，发送其加入消息通知该簇首。

更进一步的，所述步骤(B2)具体为：

假设节点n_i为一个候选簇首，所述竞争半径

$R_c=(1-c\frac{d_{\max }-d(n_i,\mathrm{DS})}{d_{\max }-d_{\min }}){R_c}^0$

其中d_max和d_min分别为网络中的节点到汇聚点Sink的距离的最大值和最小值，d(n_i，DS)为节点n_i到汇聚点Sink的距离；需要控制竞争半径的取值范围，R_c ⁰表示候选簇首的竞争半径的最大取值，c是用于控制取值范围的参数，在0-1之间取值；簇的成员数目之间的非均匀程度由c决定。

更进一步的，所述步骤(B3)具体为：

假设s_i·S_CH指候选簇首s_i的邻簇首集合：

s_i·S_CH＝{s_j是候选簇首，且d(s_i，s_j)＜max(s_i·R_c，s_j·R_c)}

每个候选簇首节点以相同的功率在半径设为R_c ⁰的区域内发送广播消息，消息内容为节点的ID、竞争半径R_c以及该节点当前的剩余能量RE；所有候选节点根据收到的广播消息构建各自的邻簇首集合S_CH，当S_CH构建完成后，节点作出其是够能担任簇首的决策；

节点需要等待其邻簇首集合中所有能量比它大的节点做出决策，然后才能确定自身是否能担任簇首；一旦节点s_i发现它的剩余能量比其邻簇首集合中的节点剩余能量高，则它就赢得竞选，并广播获胜消息以通知它的邻簇首；如果s_i收到来自s_j的获胜消息，且s_j是s_i·S_CH中的一个节点，则s_i立即退出竞选，并广播消息通知它的邻簇首；如果s_i收到来自s_j的退出消息，且s_j是s_i·S_CH中的一个节点，则s_i将s_j从其邻簇首集合中删除。

更进一步的，所述步骤(C)中选择主簇首的步骤为：

(C1)在所有与汇聚点Sink距离小于阈值DIS的簇首中选出剩余能量最多的两个i和j，假设i和j的剩余能量分别是E_i和E_j，距离汇聚点Sink的距离分别是d_i和d_j；

(C2)计算经过簇首i和j发送k-bit大小数据到汇聚点Sink所消耗的能量之差，比较E_i-E_j与上述消耗的能量差的大小；若前者比后者大，选择i为主簇首；若后者比前者大，选择j为主簇首。

本发明与现有技术相比，该方法通过对无线传感器网络中的节点进行非均匀分簇，使竞争区域半径与候选簇首节点到汇聚点Sink的距离呈线性递减关系，从而有效平衡整个系统的能耗，再采用一种有效的策略选举出来一个主簇首，把所有簇首数据融合到该主簇首，再由主簇首把数据发送到汇聚点Sink，从而有效地降低了系统能耗，延长了网络的存活时间。

附图说明

附图1是本方法的原理图；

具体实施方式

附图1是本方法的原理图，其中大小不等的圆表示簇首节点的大小非均匀的竞争范围，带箭头的线表示簇首间的多跳数据传输。传感器网络节点通过非均匀分簇算法完成分簇后，把数据都发送到相应的簇首，各簇首再通过多跳的方式把数据发送到和汇聚点Sink距离小于阈值DIS的簇首上，再在与Sink距离小于阈值DIS的簇首中选择一个主簇首，所有簇首的数据都聚合到主簇首，经过融合与压缩后发送到汇聚点Sink。

本发明专利的路由方法所采用的技术方案是：在传感器网络部署阶段，汇聚点Sink需要用一个给定的发送功率向网络内广播一个信号，每个传感器节点在接收到此信号后，根据接收信号的强度计算它到汇聚点Sink的近似距离。获得这个距离不仅有助于传感器节点向汇聚点Sink传输数据时选择合适的发送功率以节约能量消耗，而且它还是算法构造大小非均匀的簇的必需信息之一。

首先，依概率在网络中选出部分节点成为候选簇首，参与竞选。普通节点成为候选簇首的概率为T，它是一个预先设置的阈值。未参与竞选的节点进入睡眠状态，直到簇首竞选过程结束。令候选簇首根据自身到Sink的距离信息计算其竞争区域，区域的半径记作R_c。假设节点n_i为一个候选簇首，则其竞争半径：

$R_c=(1-c\frac{d_{\max }-d(n_i,\mathrm{DS})}{d_{\max }-d_{\min }}){R_c}^0$

其中d_max和d_min分别为网络中的节点到汇聚点Sink的距离的最大值和最小值，d(n_i，DS)为节点n_i到汇聚点Sink的距离。竞争半径与节点到汇聚点Sink的距离呈线性递减关系。算法需要控制竞争半径的取值范围，R_c ⁰表示候选簇首的竞争半径的最大取值，c是用于控制取值范围的参数，在0～1之间取值。簇的成员数目之间的非均匀程度由c决定。R_c ⁰和c的优化取值可以优化网络中节点的能量消耗，延长网络的存活时间。

每个候选簇首维护一个邻簇首集合S_CH，在这个集合内依据当前各节点的剩余能量高低竞争选出最终簇首。s_i·S_CH指候选簇首s_i的邻簇首集合：

s_i·S_CH＝{s_j是候选簇首，且d(s_i，s_j)＜max(s_i·R_c，s_j·R_c)}

此处，每个节点均以同样的功率发送广播消息，为了节约能量，这个广播半径设为R_c ⁰即可(这保证了节点能够与邻簇首集合内的所有节点正常通信)。每个竞选节点广播竞选消息，消息内容为节点的ID、竞争半径R_c以及该节点当前的剩余能量RE。所有候选节点根据收到的广播消息构建各自的邻簇首集合S_CH，当S_CH构建完成后，节点作出其是够能担任簇首的决策。节点需要等待其邻簇首集合中所有能量比它大的节点做出决策，然后才能确定自身是否能担任簇首。一旦s_i发现它的剩余能量比其邻簇首集合中的节点剩余能量高，则它就赢得竞选，并广播获胜消息以通知它的邻簇首。如果s_i收到来自s_j的获胜消息，且s_j是s_i·S_CH中的一个节点，则s_i立即退出竞选，并广播消息通知它的邻簇首。如果s_i收到来自s_j的退出消息，且s_j是s_i·S_CH中的一个节点，则s_i将s_j从其邻簇首集合中删除。

上述竞选算法过程结束之后，之前未参与竞选的节点从睡眠状态唤醒，然后竞选产生的簇首就向全网广播其竞选获胜的消息，普通节点选择簇内通信代价最小亦即接收信号强度最大的簇首，发送其加入消息通知该簇首。这样，网络中的节点便组成了Voronoi图结构的簇。

非均匀分簇完成之后，在传输数据的稳定阶段，引入一个合适的阈值DIS，所有和汇聚点Sink距离大于阈值DIS的簇首都把数据通过多跳的方式发送到和汇聚点Sink距离小于DIS的簇首上，再在与汇聚点Sink距离小于阈值DIS的簇首中选择一个主簇首，所有簇首的数据都聚合到主簇首，经过融合与压缩后发送到Sink。

为了节约和均衡簇首通信能耗，选择主簇首的策略为：

(1)在所有与汇聚点Sink距离小于阈值DIS的簇首中选出剩余能量最多的两个i和j，假设i和j的剩余能量分别是E_i和E_j，距离汇聚点Sink的距离分别是d_i和d_j。

(2)根据一阶通信模型，传输距离为d发送一个k-bit大小的信号，无线通信设备消耗能量：

E_Tx(k，d)＝E_Tx-elec(k)+E_Tx-amp(k，d)

E_Tx(k，d)＝E_elec×k+ε_amp×k×d²

其中E_elec和ε_amp在无线传感器网络运行时为固定值，k为当前轮发送到汇聚点Sink的数据总量(周期性网络中k值基本保持不变，本方法中可采用k的估值)。则由簇首i和j发送k-bit大小数据到汇聚点Sink所消耗的能量分别是：

$E_{\mathrm{Ti}}(k,d_i)=E_{\mathrm{elec}}\×k+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{amp}}\×k\×d_i^2$

和

$E_{\mathrm{Tj}}(k,d_j)=E_{\mathrm{elec}}\×k+{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{amp}}\×k\×d_j^2$

则经过簇首i和j发送k-bit大小数据到Sink所消耗的能量之差：

${\mathrm{\ΔE}}_{\mathrm{ij}}={\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{amp}}\×k\×(d_i^2-d_j^2)$

比较E_i-E_j和ε_amp×k×(d_i ²-d_j ²)的大小。若前者比后者大，选择i为主簇首；若后者比前者大，选择j为主簇首。即只有在离汇聚点Sink较远的簇首的剩余能量比离Sink较近的簇首的剩余能量大较多时，才会选择离汇聚点Sink较远的簇首作为主簇首。这样的选择策略不是单纯只考虑簇首剩余能量而忽略网络总能耗，也不是只考虑通信距离而忽略簇首间能耗平衡。

选出主簇首之后，就由主簇首把数据发送到汇聚点Sink。由于数据经过高度融合，总数据量大大减小。根据上述一阶通信模型，传输的数据的大小k对通信能耗有着巨大影响。经过高度融合后数据总量减少，所以能耗也相应地减小。我们选择主簇首的策略使本发明路由方法在网络总能耗和均匀分布簇首间能耗之间取得一个较好的平衡，从而有效延长无线传感器网络的存活时间。

本发明一种高数据融合的非均匀分簇的无线传感器网络路由方法(HDF-EEUC)与其他路由协议LEACH和EEUC的簇首消耗的能量之和相比，簇首消耗的能量最低，远小于LEACH的簇首所耗能量，也小于EEUC的簇首能耗。LEACH的簇首能耗之和之所以较高，是因为LEACH的簇首采用单跳的方式发送数据到Sink，而且由于LEACH没有控制簇首在网络中的分布，因此簇首能耗之和有明显的波动。而在EEUC和HDF-EEUC中簇首采取多跳的通信方式发送数据到Sink，显著地降低了能耗，而且采用了一定的控制策略使得簇首分布较为合理，使得每一轮簇首能耗之和变化较小，有利于延长网络寿命。又因为HDF-EEUC中发送到基站的数据经过高度融合，使得发送的总数据量有所减少，从而使得簇首所耗能量总量也相应地减少。

另外，无论是第一个节点死亡的时间还是最后一个节点死亡的时间，HDF-EEUC都优于LEACH和EEUC，可见其有效地延长了无线传感器网络的寿命。而且HDF-EEUC中从第一个节点死亡到最后一个节点死亡的时间跨度和EEUC一样很小，这说明在HDF-EEUC中我们在路由选择阶段的选择主簇首的策略较好地均衡了网络能耗，从而高效地利用了网络中有限的能量。

Claims (5)

1、一种无线传感器网络路由方法，其特征在于包括如下步骤：

(A)传感器网络部署阶段，汇聚点Sink用一个给定的发送功率向网络内广播信号，每个传感器节点在接收到信号后，根据接收信号的强度计算自身到汇聚点Sink的距离；

(B)对无线传感器网络中的传感器节点进行非均匀分簇，使簇的半径与簇首到汇聚点Sink的距离呈递减关系，并确定簇首和加入簇首的普通节点；

(C)在传输数据的稳定阶段，引入阈值DIS，所有和汇聚点Sink距离大于阈值DIS的簇首都把数据通过多跳的方式发送到和汇聚点Sink距离小于DIS的簇首上，再在与汇聚点Sink距离小于阈值DIS的簇首中选择一个主簇首，所有簇首的数据都聚合到主簇首，经过融合与压缩后发送到汇聚点Sink。

2、根据权利要求1所述的无线传感器网络路由方法，其特征在于：所述步骤(B)具体包括如下步骤：

(B1)依预先设定的普通节点成为候选簇首的概率T，在网络中选出部分节点成为候选簇首参与簇首竞选，未参与竞选的节点进入睡眠状态，直到簇首竞选过程结束；

(B2)候选簇首根据自身到汇聚点Sink的距离信息计算其竞争区域，区域的半径记作R_c，竞争区域半径与候选簇首节点到汇聚点Sink的距离呈线性递减关系；

(B3)每个候选簇首节点维护一个邻簇首集合S_CH，在这个集合内依据当前各节点的剩余能量高低竞争选出最终簇首；

(B4)未参与竞选的节点从睡眠状态唤醒，然后竞选产生的簇首就向全网广播其竞选获胜的消息，普通节点选择簇内通信代价最小亦即接收信号强度最大的簇首，发送其加入消息通知该簇首。

3、根据权利要求2所述的无线传感器网络路由方法，其特征在于：

所述步骤(B2)具体为：

假设节点n_i为一个候选簇首，所述竞争半径

$R_c=(1-c\frac{d_{\max }-d(n_i,\mathrm{DS})}{d_{\max }-d_{\min }}){R_c}^0$

其中d_max和d_min分别为网络中的节点到汇聚点Sink的距离的最大值和最小值，d(n_i，DS)为节点n_i到汇聚点Sink的距离；需要控制竞争半径的取值范围，R_c ⁰表示候选簇首的竞争半径的最大取值，c是用于控制取值范围的参数，在0-1之间取值；簇的成员数目之间的非均匀程度由c决定。

4、根据权利要求2所述的无线传感器网络路由方法，其特征在于：所述步骤(B3)具体为：

假设s_i·S_CH指候选簇首s_i的邻簇首集合：

s_i·S_CH＝{s_j是候选簇首，且d(s_i，s_j)＜max(s_i·R_c，s_j·R_c)}

每个候选簇首节点以相同的功率在半径设为R_c ⁰的区域内发送广播消息，消息内容为节点的ID、竞争半径R_c以及该节点当前的剩余能量RE；所有候选节点根据收到的广播消息构建各自的邻簇首集合S_CH，当S_CH构建完成后，节点作出其是够能担任簇首的决策；

节点需要等待其邻簇首集合中所有能量比它大的节点做出决策，然后才能确定自身是否能担任簇首；一旦节点s_i发现它的剩余能量比其邻簇首集合中的节点剩余能量高，则它就赢得竞选，并广播获胜消息以通知它的邻簇首；如果s_i收到来自s_j的获胜消息，且s_j是s_i·S_CH中的一个节点，则s_i立即退出竞选，并广播消息通知它的邻簇首；如果s_i收到来自s_j的退出消息，且s_j是s_i·S_CH中的一个节点，则s_i将s_j从其邻簇首集合中删除。

5、根据权利要求1所述的无线传感器网络路由方法，其特征在于：所述步骤(C)中选择主簇首的步骤为：

(C1)在所有与汇聚点Sink距离小于阈值DIS的簇首中选出剩余能量最多的两个i和j，假设i和j的剩余能量分别是E_i和E_j，距离汇聚点Sink的距离分别是d_i和d_j；

(C2)计算经过簇首i和j发送k-bit大小数据到汇聚点Sink所消耗的能量之差，比较E_i-E_j与上述消耗的能量差的大小；若前者比后者大，选择i为主簇首；若后者比前者大，选择j为主簇首。

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