CN101562862A - 一种无线传感器网络能量均衡的路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传感器网络能量均衡的路由方法，本发明的路由算法把传感器网络构成一个按最小跳数分层的网络，且使用多跳传输和直接与汇聚节点通信的混合传输策略。在多跳传输时，使用改进的基于多路径路由的最大能量路径算法。本方法利用节点直接传输和逐跳转发相结合的混合传输方式来消除sink附近区域能量消耗热点问题，在逐跳转发时采用改进的最大能量路径机制来解决局部区域的能量平衡问题，该最大能量路径机制又采用了多路径路由方式，因此，该算法很好的实现了网络全局范围内的能量均衡使用，有效的延长了网络的生命周期。

Description

一种无线传感器网络能量均衡的路由方法

技术领域

本发明属于无线传感器网络通信技术领域，具体涉及一种无线传感器网络能量均衡的路由方法。

背景技术

无线传感器网络是由大量低功耗、多功能的微型无线传感器协同组织起来的一种特殊的Ad Hoc网络，它具有自组织、多跳路由、动态拓扑、硬件资源和电源容量有限、节点数目众多而分布密集、以数据为中心(即以数据本身作为查询或传输线索，而不同于以地址为中心的互联网)等特点，可应用于军事、环境、健康、家庭、商业等领域。由于无线传感器网络节点能量极为有限，部分节点非常容易因能耗过大而导致网络分裂，从而丧失其感知覆盖能力。因此，如何提高无线传感器节点能量使用的效率，避免单个或部分节点能量的过度使用，成为无线传感器研究的一个至关重要的方面。目前传感器领域关于能量如何高效使用的方法涉及到数据融合、功率控制、路由等方面。

在路由方面，主要是通过有效的路由算法来实现节点能量的均衡使用。由于多路径路由在路由过程中可以选择不同的路径，能够平衡节点能量的消耗，因此近年来对多路径路由的研究较多。但是，越靠近sink(汇聚节点)的节点，需要转发的数据越多，能量消耗也越多，从而造成能量消耗热点，多路径路由也不能解决sink节点附近区域能量消耗热点问题。

发明内容

本发明的所要解决的技术问题是提供一种无线传感器网络能量均衡的路由方法，以克服现有的无线传感器网络中节点能量使用不均衡、网络生命周期短的缺点。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种无线传感器网络能量均衡的路由方法，该无线传感器网络由一个汇聚节点和多个节点通信连接而成；其特征在于，该无线传感器网络能量均衡的路由方法包括以下步骤：

1)将无线传感器网络按最小跳数分层，形成一个按最小跳数分层的网络；

2)创建每一个节点的多跳路由表；

每个所述的节点v维护一个路由表，表中记录可能的下一跳路由节点(u₁，u₂，…，u_n)，以及它们到汇聚节点路径的能量值(p(u₁)，p(u₂)，…，p(u_n))，并且记录p(u^*)，p(u^*)＝max(p(u₁)，p(u₂)，…，p(u_n))；汇聚节点向网络广播带h_s＝0，p(s)＝∞的路由创建消息，其中h_s表示汇聚节点的最小跳数，p(s)表示汇聚节点的能量；当节点v把节点u加入节点v的路由表的同时，也记录下节点u的路径能量p(u)；p(u)的计算公式为p(u)＝min(e(u)，p(x^*))，其中e(u)为节点u的剩余能量，p(x^*)为u的下一跳节点到汇聚节点的所有最小跳数路径的能量的最大值，同时将p(u)与p(u^*)进行比较，如果p(u)大于p(u^*)，则令p(u^*)＝p(u)；否则p(u^*)的值不变；

3)计算转发概率p_i； $p_i=\frac{E\left[f_{i-1}\right]}{E\left[g_i\right]+E\left[f_i\right]},$ 其中，E[g_i]＝N·D_i，N为无线传感器网络节点总数，D_i为第i层节点占总节点数的比例，E[g_i]为第i层节点发送自己产生的负载所消耗的平均能量； $E\left[f_i\right]=-{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^{n-i}\frac{{\mathrm{\Π}}_{j=k}^{n-i+1}{a}_{n-j}}{{\mathrm{\Π}}_{j=k}^{n-i}{d}_{n-j}}\·\left(a_{1}E\right[g_1]-a_{n-k+1}E[g_{n-k+1}]+a_1\·E[f_1\left]\right),$ 其中 $a_i=\frac{i^2}{2i-1},$ $d_i=\frac{{(i+1)}^2-1}{2i+1},$ E[f_i]为第i层节点转发其它层节点数据所消耗的平均能量，这里公式中的E[f₁]就是i为1时的E[f_i]，式中的n表示第n层，即按跳数分为第1层直到第n层；

4)节点i以p_i的概率向下一节点转发数据，以1-p_i的概率向汇聚节点直接发送数据；

5)对路由表进行维护和更新：

节点u发送数据时在数据包中加入它的更新的路径能量，利用无线通信的侦听机制，路由表中包含u的节点v更新p(u)，同时更新p(u^*)，并查看p(v)是否有所变化，如果有变化则广播带p(v)的消息，如果没有变化则什么都不做，路由表中含有v且收到广播消息的节点则做同样的检测，依次类推下去；完成对路由表的维护和更新；返回到步骤4)。

步骤1)中的按最小跳数分层的网络的创建方法为：

令h_v为节点v的到汇聚节点的最小跳数；初始时，汇聚节点的最小跳数h_s＝0，其它节点u的最小跳数h_u设为无穷大；汇聚节点向网络广播带h_s的路由创建消息；节点u从节点v接收到一个路由创建消息后，从中取出h_v进行以下比较：

若h_v＞h_u-1，u什么都不做；

若h_v＝h_u-1，u把v加入到它的路由表中；

若h_v＜h_u-1，u清空路由表中已有的内容，并把v加入路由表中；然后，节点u设置h_u＝h_v+1，并重新广播带h_u的路由创建消息给节点u的邻居节点；

路由创建消息按照以上规则传播，最后建成按最小跳数分层的网络。

本发明的有益效果：

本发明的路由方法把传感器网络构成一个按最小跳数分层的网络，且使用多跳传输和直接与sink通信的混合传输策略。在多跳传输时，使用改进的基于多路径路由的最大能量路径算法。

本方法利用节点直接传输和逐跳转发相结合的混合传输方式来消除sink附近区域能量消耗热点问题，在逐跳转发时采用改进的最大能量路径机制来解决局部区域的能量平衡问题，该最大能量路径机制又采用了多路径路由方式，因此，该方法很好的实现了网络全局范围内的能量均衡使用，有效的延长了网络的生命周期。

附图说明

图1是本发明的无线传感器网络能量均衡的路由算法的流程图；

图2为多路径分层网络。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1所示，首先，在网络工作前，通过初始化把网络构造成按最小跳数分层的网络。到汇聚节点最小跳数为1的节点集合称为传感器网络的第一层，到汇聚节点最小跳数为N的节点集合称为传感器网络的第N层。这样，围绕汇聚节点从里到外依次形成按最小跳数分层的网络。实现方法如下：

令h_v为节点v的到sink节点的最小跳数。初始时，sink节点设置h_s＝0，其它节点u的h_u设为无穷大。sink节点向网络广播带h_s的路由创建消息。节点u从节点v接收到一个路由创建消息后，从中取出h_v进行一下比较：

如果h_v＞h_u-1，u什么都不做。

如果h_v＝h_u-1，u把v加入到它的路由表中。

如果h_v＜h_u-1，u清空路由表中已有的内容，并把v加入路由表中。然后，u设置h_u＝h_v+1，并重新广播带h_u的路由创建消息给它的邻居节点。

路由创建消息按照以上规则传播，最后可建成根据最小跳数分层的网络.

在多跳传输时，使用改进的基于多路径路由的最大能量路径算法。首先声明两个定义。

最弱节点：一条路径上的所有节点中剩余能量最小的节点。

路径能量：该路径中最弱节点的剩余能量值。

定义节点w到汇聚节点的路径为所有最小跳数路径中能量最大的路径，设该路径能量为p(w)，则p(w)＝min(e(w)，p(u^*))，其中e(w)为节点w的剩余能量，p(u^*)为w的下一跳节点到汇聚节点的所有最小跳数路径的能量的最大值。

本发明的多跳路由创建如下：

每个节点v维护一个路由表，表中记录可能的下一跳路由节点(u₁，u₂，…，u_n)，以及它们到汇聚节点路径的能量值(p(u₁)，p(u₂)，…，p(u_n))，并且记录p(u^*)，p(u^*)＝max(p(u₁)，p(u₂)，…，p(u_n))。在构造分层网络的同时进行路由的创建。sink节点向网络广播带h_s＝0，p(s)＝∞的路由创建消息。当节点v把u加入v的路由表的同时，也记录下p(u)的值(p(u)的计算公式为p(u)＝min(e(u)，p(x^*))，其中e(u)为节点u的剩余能量，p(x^*)为u的下一跳节点到汇聚节点的所有最小跳数路径的能量的最大值)，同时与p(u^*)进行比较，如果其值大于p(u^*)，则令p(u^*)＝p(u)。否则p(u^*)不变。这样，随着按最小跳数分层的网络的构成，能量均衡路由的创建也随之完成。

本发明的多跳路由维护如下：

节点u发送数据时在数据包中加入它的更新的路径能量，利用无线通信的侦听机制。路由表中包含u的节点v更新p(u)，同时更新p(u^*)，并查看p(v)是否有所变化，如果有变化则广播带p(v)的消息，如果没有变化则什么都不做，路由表中含有v且收到广播消息的节点则做同样的检测，依次类推下去。

由于节点选择能量最大的路径来传输数据，避免了能量较小的节点过早死亡导致网络不连通，上述方法构建的多跳路由在局部区域较好的实现了能量的均衡使用，但是没有在全局区域实现。例如在能量消耗热点区域(sink附近区域的节点)，没有实现与其它区域节点能量的均衡使用，这些节点会因为能量消耗过多而过早的死亡。而在最外围区域的节点，因为无需转发或转发其它节点的数据较少，其能量消耗相对较低。本发明采用逐跳转发和直接转发相结合的混合传输模式来传输数据以解决上述问题。基本思想是：每个节点以概率选择直接传输或逐跳转发数据，最外围区域的节点，由于无需转发或转发别的节点的数据较少，可以较大概率选择直接传输，从而减轻中间区域节点的负载；中间区域的节点则以几乎逐跳转发数据；而靠近sink区域的节点也可以较低的概率直接与sink节点进行通信，因为它们与sink的距离较小，直接与sink通信消耗的能量有限。为此，计算每个节点逐跳转发的概率p_i是实现层间能量均衡数据传输的关键。

本发明计算p_i算法如下：

令

为第i层区域消耗的总能量，为了实现各层与各层之间能量的均衡，则每层的每个节点消耗的能量满足下列等式：

S_i为各层的区域面积。

即满足： $E\left[\frac{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^{h_i}{\∂}_{\mathrm{ik}}}{S_i}\right]=E\left[\frac{{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^{h_j}{\∂}_{\mathrm{jk}}}{S_j}\right],---\left(1\right)$

其中h_i为i层要处理的负载数，

为处理每个负载消耗的能量。

定义1：E[g_i]＝N·D_i，其中N为无线传感器网络节点总数，D_i为第i层节点占总节点数的比例，E[g_i]为第i层节点发送自己产生的负载所消耗的平均能量。

定义2：

$E\left[f_i\right]=-{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^{n-i}\frac{{\mathrm{\Π}}_{j=k}^{n-i+1}{a}_{n-j}}{{\mathrm{\Π}}_{j=k}^{n-i}{d}_{n-j}}\·\left(a_{1}E\right[g_1]-a_{n-k+1}E[g_{n-k+1}]+a_1\·E[f_1\left]\right)$ 其中 $a_i=\frac{i^2}{2i-1},$ $d_i=\frac{{(i+1)}^2-1}{2i+1},$ E[f_i]为第i层节点转发其它层节点数据所消耗的平均能量，这里公式中的E[f₁]就是i为1时的E[f_i]，式中的n表示第n层，即按跳数分为第1层直到第n层；可由式(1)推导求得。

定义3：E[h_i]＝E[g_i]+E[f_i]    (2)

定义4：E[f_i-1]＝p_iE[h_i]      (3)

由式(2)(3)可得： $p_i=\frac{E\left[f_{i-1}\right]}{E\left[g_i\right]+E\left[f_i\right]}---\left(4\right)$

具体的一个实例如图2，在图2中，h代表各节点所在层次，e为各节点本身的剩余能量，节点e到汇聚节点有两条最小跳数路径e→b→a→s，e→d→c→s。路径b→a→s的能量为节点a的剩余能量值，所以p(b)＝35，路径d→c→s的能量为节点c的剩余能量值，p(d)＝10。所以p(u^*)＝max(p(b)，p(d))＝35，p(e)＝min(e(e)，p(u^*))＝35。当通过概率p_i选择通过多跳转发数据时，节点e不是选择剩余能量最大的节点d作为下一跳节点，而是选择路径e→b→a→s来传输数据，从而避免了节点c过早的死亡而导致网络的不连通。同时，节点e可以通过概率1-p_i选择直接转发数据。p_i按照公式(4)来计算。

Claims (2)

1.一种无线传感器网络能量均衡的路由方法，该无线传感器网络由一个汇聚节点和多个节点通信连接而成；其特征在于，该无线传感器网络能量均衡的路由方法包括以下步骤：

1)将无线传感器网络按最小跳数分层，形成一个按最小跳数分层的网络；

2)创建每一个节点的多跳路由表；

每个所述的节点v维护一个路由表，表中记录可能的下一跳路由节点(u₁，u₂，…，u_n)，以及它们到汇聚节点路径的能量值(p(u₁)，p(u₂)，…，p(u_n))，并且记录p(u^*)，p(u^*)＝max(p(u₁)，p(u₂)，…，p(u_n))；汇聚节点向网络广播带h_s＝0，p(s)＝∞的路由创建消息，其中h_s表示汇聚节点的最小跳数，p(s)表示汇聚节点的能量；当节点v把节点u加入节点v的路由表的同时，也记录下节点u的路径能量p(u)；p(u)的计算公式为p(u)＝min(e(u)，p(x^*))，其中e(u)为节点u的剩余能量，p(x^*)为u的下一跳节点到汇聚节点的所有最小跳数路径的能量的最大值，同时将p(u)与p(u^*)进行比较，如果p(u)大于p(u^*)，则令p(u^*)＝p(u)；否则p(u^*)的值不变；

3)计算转发概率p_i； $p_i=\frac{E\left[f_{i-1}\right]}{E\left[g_i\right]+E\left[f_i\right]},$ 其中，E[g_i]＝N·D_i，  N为无线传感器网络节点总数，D_i为第i层节点占总节点数的比例，E[g_i]为第i层节点发送自己产生的负载所消耗的平均能量； $E\left[f_i\right]=-{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^{n-i}\frac{{\mathrm{\Π}}_{j=k}^{n-i+1}{a}_{n-j}}{{\mathrm{\Π}}_{j=k}^{n-i}{d}_{n-j}}\·\left(a_{1}E\right[g_1]-a_{n-k+1}E[g_{k+1}]+a_1\·E[f_1\left]\right),$ 其中 $a_i=\frac{i^2}{2i-1},d_i=\frac{{(i+1)}^2-1}{2i+1},$ E[f_i]为第i层节点转发其它层节点数据所消耗的平均能量，其中公式中的E[f₁]就是i为1时的E[f_i]，式中的n表示第n层；

4)  节点i以p_i的概率向下一节点转发数据，以1-p_i的概率向汇聚节点直接发送数据；

5)对路由表进行维护和更新：

节点u发送数据时在数据包中加入它的更新的路径能量，利用无线通信的侦听机制，路由表中包含u的节点v更新p(u)，同时更新p(u^*)，并查看p(v)是否有所变化，如果有变化则广播带p(v)的消息，如果没有变化则什么都不做，路由表中含有v且收到广播消息的节点则做同样的检测，依次类推下去；完成对路由表的维护和更新；返回到步骤4)。

2.根据权利要求1所述的无线传感器网络能量均衡的路由方法，其特征在于，步骤1)中的按最小跳数分层的网络的创建方法为：

令h_v为节点v的到汇聚节点的最小跳数；初始时，汇聚节点的最小跳数h_s＝0，其它节点u的最小跳数h_u设为无穷大；汇聚节点向网络广播带h_s的路由创建消息；节点u从节点v接收到一个路由创建消息后，从中取出h_v进行以下比较：

若h_v＞h_u-1，u什么都不做；

若h_v＝h_u-1，u把v加入到它的路由表中；

若h_v＜h_u-1，u清空路由表中已有的内容，并把v加入路由表中；然后，节点u设置h_u＝h_v+1，并重新广播带h_u的路由创建消息给节点u的邻居节点；

路由创建消息按照以上规则传播，最后建成按最小跳数分层的网络。

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