CN102209033A - 无线传感器网络分簇路由方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种无线传感器网络分簇路由方法。首先通过对一个无线传感器网络区域进行网格划分，网格在划分完毕后即为一个固定簇，每个周期结束后在簇中选取新的节点成为簇头节点，通过对簇头节点到中心节点的距离来计算出簇头节点所在簇的一个权值，通过簇之间的权值比较，簇头节点转发数据时便得到了一个路径，这条路径是由权值逐次递减的簇构成的。本发明的方法能更均匀的将整个无线传感器网络的能耗分摊到每个节点，并且能减少建立节点到中心节点信息传输路径的能耗，从而提高整个网络的寿命。

Description

无线传感器网络分簇路由方法

技术领域

本发明主要涉及无线传感器网络，具体涉及无线传感器网络中的路由方法。

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个多跳自组织网络。这些传感器在微小体积内通常集成了信息采集，数据处理和无线通信等多种功能。构建无线传感器网络的目的是感知、采集和处理网络覆盖区域里被监测对象的信息，并发送给观察者。无线传感器网络的核心技术在于网络的拓扑控制和网络中节点定位及时间同步。无线传感器网络中的拓扑控制主要研究的问题是：在保证网络覆盖和连通性的前提下，设置或调整节点的发射功率，并按照一定原则选择合适的节点成为骨干节点参与网络中数据的处理和传输，达到优化网络拓扑结构的目的。具体来说，无线传感器网络中拓扑控制可以分为两个研究方向：功率控制和层次拓扑结构控制。功率控制机制调整网络中每个节点的发射功率，保证网络连通，均衡节点的直接邻居数目(单跳可达邻居数目)的同时，降低节点之间的通信干扰。层次拓扑控制是利用分簇的思想，依据一定的原则适用网络中的部分节点处于激活状态，成为簇头节点，有这些簇头节点构建一个连通的网络来处理和传输网络中的数据；其他节点则处于非激活状态，关闭其通信模块以降低能量消耗，并且定期或不定期的重新选择簇头节点以均衡网络中节点的能量消耗。

传统的层次拓扑结构控制算法若不对簇的规模进行控制时，如经典的LEACH算法，则对节点的传输距离要求较高，而且每一轮的簇头选取波动较大，存在簇头选取不当的情况对耗能过分开销。若对簇的规模进行控制，如GAF算法，TTDD算法等，由于可以降低节点的物理构造使其更容易实现，但由于没有对节点到中心节点的数据信息转发提出很好的办法(通常是利用泛洪或类似泛洪的方式)，无目的性的转发导致了大的能耗，所以直接影响到了无线传感器网络的寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够降低无线传感器网络总能耗的无线传感器网络分簇路由方法。

本发明的目的是这样实现的：

无线传感器网络节点中的每个中心节点都向外发送一个本身坐标的广播，普通节点选取离自己最近的中心节点作为数据信息发送的目标中心节点，求出每个普通节点与其目标中心节点的相对坐标，并根据普通节点的传输半径来确定所要划分网格的大小；再利用线性规划的理论对每个节点进行簇归属的判断，再利用正六边形的解析式计算出每个簇的中心位置进而求出每个簇的路径权值N；当簇的成员被完全确定后，在每个簇中以周期t为间隔轮流的进行簇头选取，第一个周期选取的簇头将对其邻居簇的簇头发送自身的路径权值N，并将小于其路径权值的邻居节点加入自己的路由表，作为下一跳的目的地；在无线传感器网络覆盖的区域中，一旦有激励事件发生，事件所在簇的簇头节点将对事件进行处理并按照路由表逐跳发送。

本发明提出了一种新的路由协议：固定蜂窝定向跳转协议(FCRP)。其核心内容是通过在初始化过程中，对整个网络进行固定的蜂窝划分，每个蜂窝区域在整个无线传感器网络的生命期中都固定为一个簇。根据簇与中心节点的距离来计算簇的权值N，通过对权值N的比较得到节点到中心节点的路径，并以t为周期在簇中轮流选取簇头节点，达到降低网络系统能耗、平均节点开销的目的。

本发明的方法综合考虑了以往算法的缺陷，在利用固定网格将簇规模化后，通过计算每个簇的路径权值以达到确定数据信息发送路径的目的，从而避免了泛洪方法或类泛洪方法对整个传感器网络的消耗。本发明的主要特点包括以下几个方面：

1.1使用六边形对整个网络进行划分，这种六边形的簇结构可以达到使用最少的分簇即将整个网络完全覆盖。

1.2利用节点与目标中心节点的位置关系来决定节点属于哪个簇。先确定簇的范围及簇的成员，再选取簇头节点。

1.3由每个固定的分簇与目标中心节点的距离求出每个固定分簇的路径权值，利用变化的路径权值确定数据转发路径。

1.4相邻的簇以不同时间更新簇头节点，保证了数据的发送的连续性和准确性。

1.5利用六边形簇发送数据时经历的路径要小于等于矩形簇的情况，从而减少了数据延迟。

附图说明

图1为区域被不同k值划分下的示意图；

图2为蜂窝簇的划分及其权值示意图；

图3为利用菱形与矩形确定正六边形的原理图；

图4为簇中心节点的曲线示意图；

图5为初始化程序流程图；

图6为运行阶段流程图。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述：

结合图5。初始化阶段：首先中心节点向所有节点发送一个广播消息，其中包括中心节点的位置(x_c，y_c)，每个节点(节点的坐标用(x_p，y_q)表示)接收到信息后，计算

(其中x＝x_p-x_c，y＝y_p-y_c，)，得出相应的k值(k∈N)，其中k是控制正六边形蜂窝簇的一个参数，如图1。

当k＝3p时(p∈N)：

$\left\{\begin{array}{c}k-1<\frac{-\sqrt{3}x/3-y}{r}\&le;k+1\\ 3l-1<\frac{\sqrt{3}x/3-y}{r}\&le;3l+1\\ 2n-1<\frac{2x}{\sqrt{3}r}\&le;2n+1\\ 3m-1<\frac{y}{r}\&le;3m+1\end{array}\right.$ 或 $\left\{\begin{array}{c}k-1<\frac{-\sqrt{3}x/3-y}{r}\&le;k+1\\ 3l-1<\frac{\sqrt{3}x/3-y}{r}\&le;3l+1\\ 2n<\frac{2x}{\sqrt{3}r}\&le;2n+2\\ 3m+\frac{1}{2}<\frac{y}{r}\&le;3m+\frac{5}{2}\end{array}\right.$

当k＝3p-1时(p∈N)：

$\left\{\begin{array}{c}k-1<\frac{-\sqrt{3}x/3-y}{r}\&le;k+1\\ 3l<\frac{\sqrt{3}x/3-y}{r}\&le;3l+2\\ 2n-1<\frac{2x}{\sqrt{3}r}\&le;2n+1\\ 3m-1<\frac{y}{r}\&le;3m+1\end{array}\right.$ 或 $\left\{\begin{array}{c}k-1<\frac{-\sqrt{3}x/3-y}{r}\&le;k+1\\ 3l<\frac{\sqrt{3}x/3-y}{r}\&le;3l+2\\ 2n<\frac{2x}{\sqrt{3}r}\&le;2n+2\\ 3m+\frac{1}{2}<\frac{y}{r}\&le;3m+\frac{5}{2}\end{array}\right.$

当k＝3p-2时(p∈N)：

$\left\{\begin{array}{c}k-1<\frac{-\sqrt{3}x/3-y}{r}\&le;k+1\\ 3l+1<\frac{\sqrt{3}x/3-y}{r}\&le;3l+3\\ 2n-1<\frac{2x}{\sqrt{3}r}\&le;2n+1\\ 3m-1<\frac{y}{r}\&le;3m+1\end{array}\right.$ 或 $\left\{\begin{array}{c}k-1<\frac{-\sqrt{3}x/3-y}{r}\&le;k+1\\ 3l+1<\frac{\sqrt{3}x/3-y}{r}\&le;3l+3\\ 2n<\frac{2x}{\sqrt{3}r}\&le;2n+2\\ 3m+\frac{1}{2}<\frac{y}{r}\&le;3m+\frac{5}{2}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中k，l，n，m∈N；l，n，m是控制正六边形蜂窝簇的其余三个参数，r是正六边形的半径，p为任意整数。

当k，l，n，m值全部相同时，节点即为一个正六边形蜂窝(即同一个簇)内的节点。至此正六边形网格的划分结束。如图2。

上式的原理是在对蜂窝进行划分的过程中，由于每一个六边形都是一个边长为2r的菱形与一个长为2r宽为

的长方形取公共部分组成的，菱形区域内x，y应满足的关系式分别为：

当k＝3p时(p∈N)： $\left\{\begin{array}{c}k-1<\frac{-\sqrt{3}x/3-y}{r}\&le;k+1\\ 3l-1<\frac{\sqrt{3}x/3-y}{r}\&le;3l+1\end{array}\right.,$

当k＝3p-1时(p∈N)： $\left\{\begin{array}{c}k-1<\frac{-\sqrt{3}x/3-y}{r}\&le;k+1\\ 3l<\frac{\sqrt{3}x/3-y}{r}\&le;3l+2\end{array}\right.$

当k＝3p-2时(p∈N)： $\left\{\begin{array}{c}k-1<\frac{-\sqrt{3}x/3-y}{r}\&le;k+1\\ 3l+1<\frac{\sqrt{3}x/3-y}{r}\&le;3l+3\end{array}\right.---(1-1)$

而矩形区域内的(x，y)关系应满足：

$\left\{\begin{array}{c}2n-1<\frac{2x}{\sqrt{3}r}\&le;2n+1\\ 3m-1<\frac{y}{r}\&le;3m+1\end{array}\right.$ 或 $\left\{\begin{array}{c}2n<\frac{2x}{\sqrt{3}r}\&le;2n+2\\ 3m+\frac{1}{2}<\frac{y}{r}\&le;3m+\frac{5}{2}\end{array}\right.---(1-2)$

其中n，m为整数，所以当节点满足即在菱形区域又在矩形区域时，节点所在的六边形蜂窝区域即被确定。(如图3)

当全部节点将控制蜂窝的参数k，l，m，n计算完毕后，全部节点以2r(r为蜂窝的半径)为半径向周围节点发送一个包含k，l，m，n值以及节点id的数据包，随后等待一段时间，接着节点对在等待时间内接收到的数据包进行处理，即对数据包中的k，l，m，n值与节点本身k，l，m，n值进行比较，若其完全相同，则节点与发送数据包的节点为同簇成员，于是节点将数据包中的id记录；若不完全相同，说明节点与发送数据包的节点非同簇成员，将数据包删除。至此每个蜂窝簇中的成员节点被确定。

节点通过在簇形成过程中得到的k，l，m，n值，通过公式(2)计算出本簇的理论中心坐标(x_i，y_i)：

当k＝3p时(p∈N)： $\left\{\begin{array}{c}{x}_i=\frac{\sqrt{3}(3\mathrm{lr}-\mathrm{kr})}{2}\\ y_i=-\frac{\mathrm{kr}+3\mathrm{lr}}{2}\end{array}\right.;$

当k＝3p-1时(p∈N)： $\left\{\begin{array}{c}{x}_i=\frac{\sqrt{3}(3\mathrm{lr}+r-\mathrm{kr})}{2}\\ y_i=-\frac{\mathrm{kr}+3\mathrm{lr}+r}{2}\end{array}\right.$

当k＝3p-2时(p∈N)： $\left\{\begin{array}{c}{x}_i=\frac{\sqrt{3}(3\mathrm{lr}+2r-\mathrm{kr})}{2}\\ y_i=-\frac{\mathrm{kr}+3\mathrm{lr}+2r}{2}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中r是蜂窝的半径。

当每个簇头计算出本簇的中心位置后再利用公式(3)求出N值：

至此路径权值N被求出。

簇头向相邻的六个簇头节点发送包含自身的路径权值N和自身ID的数据包，相邻簇头将自身的N值与接收到的N值进行比较，若小于消息N值，则返回一个确认消息，声明自己是簇头下一跳的目的节点，若大于或等于消息N值，则删除数据包。当簇头节点接收到从某一邻居簇发回的确认消息后，便将其加入自己的路由表，作为自己下一跳的目的簇。

结合图6.在协议运行阶段，为了平均簇头节点的开销，协议设计以时间t为周期，簇内的传感器节点轮流担任簇头，由于网格簇的固定性，簇内的簇头节点可使用如下的方式进选取：节点内设置一个候选权值计数器，节点每担任一次簇头后，将候选权值计数器加一，在首个周期开始后选则簇内的任意一个节点为簇头，之后在每个周期即将结束时任命计数器最小的节点为下一轮的簇头，若多个节点计数器值相同且皆为最小值时，则随机选取其中一个。由于簇头的主要工作是将相邻簇头可能传来的信息转发至中心节点，若在一个周期t内没有进行数据传输的簇头节点，将在下一个周期时继续担任本簇的簇头节点。

协议为了增强WSN数据传输的稳定性与连续性，协议设计时令N值为奇数的网格簇在nt时刻进行簇头节点更替，令N值为偶数的节点在

时刻进行簇头节点更替(其中n为正整数)，当发生簇头节点更替时，旧的簇头节点将向上一跳的簇头节点发送一个通知，其中包含停止向旧簇头发送数据和新簇头的位置信息，旧簇头也将向新簇头发送一个信息，其中包含下一跳簇头节点的位置，这样就保证了在簇头更新时数据的连续性。

Claims (1)

1.一种无线传感器网络分簇路由方法，其特征是：无线传感器网络节点中的每个中心节点都向外发送一个本身坐标的广播，普通节点选取离自己最近的中心节点作为数据信息发送的目标中心节点，求出每个普通节点与其目标中心节点的相对坐标，并根据普通节点的传输半径来确定所要划分网格的大小；再利用线性规划的理论对每个节点进行簇归属的判断，再利用正六边形的解析式计算出每个簇的中心位置进而求出每个簇的路径权值N；当簇的成员被完全确定后，在每个簇中以周期t为间隔轮流的进行簇头选取，第一个周期选取的簇头将对其邻居簇的簇头发送自身的路径权值N，并将小于其路径权值的邻居节点加入自己的路由表，作为下一跳的目的地；在无线传感器网络覆盖的区域中，一旦有激励事件发生，事件所在簇的簇头节点将对事件进行处理并按照路由表逐跳发送。

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