CN102256267B - 无线传感网络中能量优先的节点分簇方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传感网络中能量优先的节点分簇方法，包括如下步骤：当网络部署完毕后，基站通过发送广播信号，启动网络中所有节点运行；网络中每个启动的节点计算自己成为簇首的阈值；将网络中剩余能量大于或等于网络平均能量且生成的随机数小于阈值的节点选作簇首；簇首向全网广播自己的簇首消息，每个普通节点收到簇首消息后，根据接收信号的强度计算它与簇首的距离，并加入与之最近的簇，成为簇成员；簇首给每个簇成员分配TDMA时隙，使每个簇成员按照分配的时隙通信。使用本发明的方法，能够显著地延长网络的生存时间，并且其性能明显优于LEACH协议。

Description

无线传感网络中能量优先的节点分簇方法

技术领域

本发明涉及无线传感网络技术，特别涉及无线传感网络中能量优先的节点分簇方法。

背景技术

无线传感器网络由大量廉价的、低功耗的传感器节点组成，这些节点监测和感应覆盖区域内的多种环境信息，并将收集到的信息经过简单处理后提供给远程的终端用户。传感器节点有着严格的能量限制，并且难以进行能量补充，根据具体应用的要求，这些节点需要连续工作几个月甚至几年，因此，如何合理地利用能量是设计传感器网络所面临的首要问题。将传感器节点组织成簇的形式可以有效地减少能量消耗，许多能量高效的路由协议都是在簇结构的基础上进行设计的其中包括LEACH、PEGASIS、EEUC等。

LEACH是一种分布式的分簇协议。网络的工作周期被分为若干轮，所有节点轮流担任簇首以达到能量均衡消耗的目的。在簇生成阶段，每个节点产生一个0-1之间的随机数，并根据当前轮数计算出一个门限值，如果某节点在前1/p(p为簇首的比率)轮内未担任过簇首，并且随机数小于门限值，则该节点成为簇首，然后，簇首向所有节点广播自己成为簇首的消息，普通节点则根据接收到的广播信号的强度来判断自己与簇首的距离，并以簇成员的身份加入与之最近的簇。LEACH协议中簇首的选择是随机的，每轮选出的簇首数量相差很大，且分布不均匀，无法做到最优。

PEGASIS协议根据节点的地理位置，采用贪婪算法将所有的节点连接成链状，随机选择一个节点作为头节点，链两端数据沿链传输到头结点，并在传输过程中进行融合，最后由头节点将数据发送给基站。由于相邻节点间的距离近似最短，每个节点都能以较小的功率发送数据，且数据融合后只生成一个数据包，减少了与基站的通信量，因此，PEGASIS能显著地延长网络的生存期，但它需要全局的地理位置信息，并且具有很大的时延。

EEUC是一种非均匀的分簇算法，簇间采用多跳通信的方式，靠近基站的簇首承担了更多的转发任务，其能量消耗更快。为了均衡簇首的能量消耗，分簇时靠近基站的簇具有较小的竞争半径，使得其簇成员数目相对较少，以节省簇首能量供数据转发时使用。该协议考虑了簇首能量消耗不均衡的问题，优化了网络节点的能量消耗，但控制较复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种无线传感网络中能量优先的节点分簇方法，以便能够显著延长网络生存时间。

本发明的实现上述目的的一种无线传感网络中能量优先的节点分簇方法包括以下步骤：

当网络部署完毕后，基站通过发送广播信号，启动网络中所有节点运行；

网络中每个启动的节点计算自己成为簇首的阈值；

将网络中剩余能量大于或等于网络平均能量且生成的随机数小于阈值的节点选作簇首；

簇首向全网广播自己的簇首消息，每个普通节点收到簇首消息后，根据接收信号的强度计算它与簇首的距离，并加入与之最近的簇，成为簇成员；

簇首给每个簇成员分配TDMA时隙，使每个簇成员按照分配的时隙通信。

其中，所述阈值按如下公式计算：

$T_{\mathrm{CH}}=P_{\mathrm{init}}\frac{E_{\mathrm{residual}}}{\stackrel{\‾}{E}}$

其中，P_init为初始概率值，其值固定不变，E_residual为节点的剩余能量，为网络平均能量。

本发明的方法还包括选择与基站距离较近且具有较高能量的簇首作为中继节点的步骤，该中继节点接收其它簇首发来的帧，融合后发往基站。

其中，簇首根据接收基站广播信号的强度，计算簇首与基站的距离。

其中，网络中的每个簇首根据自己距离基站的距离与自己剩余能量的比值，得到其费用，并将费用最小的簇首选作中继节点。

其中，每个簇成员根据自己与簇首的距离调整发射功率，使发射功率与距离成正比。

其中，簇成员在分配给的时隙之外的时间，关闭发射电路。

与现有技术相比，本发明优先选择剩余能量较多的节点作为簇首，并采用簇间转发的方式将数据发送到基站，仿真结果表明，使用本发明的方法，能够显著地延长网络的生存时间，其性能明显优于LEACH协议。

附图说明

图1是显示本发明的无线传感网络中能量优先的节点分簇方法的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明，应当理解，以下所说明的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

图1显示了本发明的无线传感网络中能量优先的节点分簇方法，包括以下步骤：

当网络部署完毕后，基站通过发送广播信号，启动网络中所有节点运行；

网络中每个启动的节点计算自己成为簇首的阈值；

将网络中剩余能量大于或等于网络平均能量且生成的随机数小于阈值的节点选作簇首；

簇首向全网广播自己的簇首消息，每个普通节点收到簇首消息后，根据接收信号的强度计算它与簇首的距离，并加入与之最近的簇，成为簇成员；

簇首给每个簇成员分配TDMA时隙，使每个簇成员按照分配的时隙通信。

本发明的阈值按如下公式计算：

$T_{\mathrm{CH}}=P_{\mathrm{init}}\frac{E_{\mathrm{residual}}}{\stackrel{\‾}{E}}$

其中，P_init为初始概率值，其值固定不变，E_residual为节点的剩余能量，为网络平均能量。

本发明的方法还包括选择与基站距离较近且具有较高能量的簇首作为中继节点的步骤，该中继节点接收其它簇首发来的帧，融合后发往基站。

一般来说，簇首根据接收基站广播信号的强度，计算簇首与基站的距离。当每个簇首算出自己与基站的距离后，可以得到自己成为中继节点的费用，给费用为：距离基站的距离与自己剩余能量的比值。此后，将费用最小的簇首选作中继节点。

为了较少能量消耗，每个簇成员最好应当根据自己与簇首的距离调整发射功率，使发射功率与距离成正比，即距离簇首越近，发射功率就越小。

此外，簇成员在分配给的时隙之外的时间，可以关闭发射电路，以便节省能量消耗。

下面从系统模型、能量有限分簇、中继节点选择、数据传输等几个方面对本发明的方法进行详细说明。

系统模型

N个传感器节点随机均匀分布在一个正方形区域内，周期性地收集周围环境信息，并且具有如下性质：

①所有传感器节点部署后不再移动，且都有一个唯一的标识(ID)。

②基站唯一，且位于离采集区域较远的一个固定位置。

③所有节点没有安装GPS，不知道其具体位置。

④所有节点都具备数据融合功能，能够将多个数据包压缩成一个相同大小的数据包。

⑤若已知对方的发射功率，节点可以根据接收信号的强度计算出发送方离它的近似距离。

⑥节点的能量不能补充，节点可以根据它与接收方的距离，自由调整发射功率以节省能量。

本文采用如下无线通信模型。当发送节点与接收节点的距离小于阈值d₀时，采用自由空间模型，即发送方发送数据的能耗与距离的平方成正比，否则采用多路衰减模型，即发送方发送数据的能耗与距离的四次方成正比。发送方发送kbit的数据到距离为d的接收方所消耗的能量为：

$E_t(k,d)=\left\{\begin{array}{cc}k{E}_{\mathrm{elec}}+k{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{fs}}{d}^2& d<d_0\\ k{E}_{\mathrm{elec}}+k{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{mp}}{d}^4& d\&GreaterEqual;d_0\end{array}\right.$

其中，E_elec表示发射电路消耗的能量，ε_fs和ε_mp为功率放大器所消耗的能量，d₀为常量。

节点接收kbit的数据所消耗的能量为：

E_t(k)＝KE_elec

将m个长度为k的数据包融合所消耗的能量为：

E_t(m，k)＝mkE_fution

其中，E_fution为融合1bit的数据所消耗的能量。

能量优先分簇

簇生成算法

能量优先分簇法是一个分布式的分簇协议，协议按轮运行，每轮分为簇生成、中继节点的选择和数据传输三个阶段。在簇生成阶段，以节点的剩余能量作为簇首选择的依据，其阈值按如下公式计算：

$T_{\mathrm{CH}}=P_{\mathrm{init}}\frac{E_{\mathrm{residual}}}{\stackrel{\&OverBar;}{E}}$

其中，P_init为初始概率值，其值固定不变，E_residual为节点的剩余能量，为网络平均能量，首轮运行时其值为节点的初始能量，以后由簇首根据簇内节点的平均能量来估算。网络部署完毕后，由基站发送广播信号，启动所有传感器节点运行。

每个节点收到基站的启动消息后，根据接收到的信号强度计算它与基站的距离BS_dist，然后计算自己成为簇首的阈值。如果节点的剩余能量大于或等于平均能量且产生的随机数小

于阈值，则该节点成为簇首，并向全网广播其成为簇首的消息。每个普通节点收到簇首公告消息后，根据接收信号的强度计算它与簇首的距离，并加入与之最近的簇，最后，簇首给每个簇成员分配TDMA时隙。

中继节点选择

中继节点接收其它簇首发来的帧，融合后发往基站，中继节点需要消耗较多的能量，因此应选择与基站距离较近且具有较高能量的簇首作为中继节点。每个簇首需要保存一张簇首信息表，以存储其它簇首的相关信息，其中包括簇首ID、与基站的距离、剩余能量、与自己的距离等表项。在簇生成时，每个簇首收到其它簇首的广播消息Head_Msg，其中包含了簇首的ID，簇首与基站的距离BS_dist，簇首的剩余能量Eresidual。根据接收到的广播消息的信号强度，每个簇首可计算出它与其它簇首的距离，并对簇首信息表进行更新。根据簇首信息表，可计算出每个簇首作为中继节点的费用，计算公式如下：

$\mathrm{Cost}=\frac{\mathrm{BS}\_\mathrm{dist}}{E_{\mathrm{residual}}}$

选取费用最小的簇首作为中继节点，这样既能减少中继节点转发数据时所消耗的能量，又能保证中继节点不会很快耗尽能量而死亡。

数据传输

每个簇成员在给定的时隙内采集数据，并根据自己与簇首的距离调整发射功率，将数据发送给簇首，其它时间则关闭收发电路以节省能量。簇首将数据融合后，根据自己与中继节点的距离以最小的功率将数据发往中继节点，中继节点将数据融合后发往基站。为了降低簇生成开销，每轮需连续采集若干帧后才转入下一轮。在一轮结束前，每个簇成员采用捎带方式向簇首报告其剩余能量，簇首计算簇内节点的平均剩余能量后，将其值广播给每个簇成员。

能量优先具有很小的控制开销，其控制信息包括：基站发送了一个BS_msg，每个簇首发送了一个Head_Msg、一个TDMA_msg和一个平均剩余能量消息，每个簇成员发送了一个Join_msg。设网络节点数为N，簇首的比率为p，则控制消息的总数为1+2pN+N，因此，其控制开销复杂度为O(N)。

仿真表明，能量优先方法使网络能量消耗总是小于LEACH，节点开始死亡的时间也晚于LEACH。传感器网络中节点的死亡会带来传感“空洞”，造成传感质量的下降，因此，通常用第1个节点的死亡时间来评价协议的性能，能量优先方法较LEACH协议的性能改进率达到了56.3％。主要原因在于能量优先方法优先选择能量较高的节点作为簇首，有利于平衡节点的能量消耗，并且采用了簇间转发的方式，减少了远距离传输到基站的帧的数量，节省了能量。

综上所述，本发明在簇内概率性地选取剩余能量较高的节点作为簇首，簇间则选取离基站较近且具有较高剩余能量的簇首作为中继节点。传感器节点采集的数据先发送给簇首，由簇首融合后发送给中继节点，中继节点进行二次融合后发送给基站。实验表明，本发明的能量优先方法能够节省网络能量，显著地延长网络的生存时间，且具有很小的控制开销。

尽管上文对本发明进行了详细说明，但是本发明不限于此，本技术领域技术人员可以根据本发明的原理进行各种修改。因此，凡按照本发明原理所作的修改，都应当理解为落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种无线传感网络中能量优先的节点分簇方法，包括以下步骤：

当网络部署完毕后，基站通过发送广播信号，启动网络中所有节点运行；

网络中每个启动的节点计算自己成为簇首的阈值,所述阈值按如下公式计算：

$T_{CH}=P_{init}\frac{E_{residual}}{\stackrel{\&OverBar;}{E}}$

其中，P_init为初始概率值，其值固定不变，E_residual为节点的剩余能量，为网络平均能量；

将网络中剩余能量大于或等于网络平均能量且生成的随机数小于阈值的节点选作簇首；

簇首向全网广播自己的簇首消息，每个普通节点收到簇首消息后，根据接收信号的强度计算它与簇首的距离，并加入与之最近的簇，成为簇成员；

簇首给每个簇成员分配TDMA时隙，使每个簇成员按照分配的时隙通信；

每个簇首保存一张簇首信息表，根据所述簇首信息表计算出每个簇首作为中继节点的费用，费用消耗计算公式为：

选择与基站距离较近且具有较高能量并且费用消耗最小的簇首作为中继节点，该中继节点接收其它簇首发来的帧，融合后发往基站。

2.根据权利要求1所述的方法，其中簇首根据接收基站广播信号的强度，计算簇首与基站的距离。

3.根据权利要求2所述的方法，其中每个簇成员根据自己与簇首的距离调整发射功率，使发射功率与距离成正比。

4.根据权利要求3所述的方法，其中簇成员在分配给的时隙之外的时间，关闭发射电路。