CN102438298B - 一种可信的无线传感网数据节能汇聚方法 - Google Patents

Abstract

一种可信的无线传感网数据节能汇聚方法，包括以下步骤：簇头选举、簇迁移和传感器节点清理：将所有未被覆盖的节点做为簇头节点或者通过邻居节点成为其它簇的多跳成员节点，完成节点汇聚。本发明将整个网络的能量负载均衡地分配到每一个传感节点上的方法，同时利用数据汇聚技术减少能耗、消除数据冗余、增加从源节点到基站的有用信息流，从而达到延长整体网络寿命的目的节能汇聚方法。

Description

一种可信的无线传感网数据节能汇聚方法

技术领域

本发明涉及无线传感网领域，尤其是一种将整个网络的能量负载均衡地分配到每一个传感节点上的方法，同时利用数据汇聚技术减少能耗、消除数据冗余、增加从源节点到基站的有用信息流，从而达到延长整体网络寿命的目的节能汇聚方法，具体地说是一种可信的无线传感网数据节能汇聚方法。

背景技术

目前，无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)在众多领域里有着广阔的应用前景，是目前学术界研究的热点之一。由于传感器节点的电池能量有限且应用的环境条件复杂，使得节点难以进行能量的补充。因此，如何高效使用各节点有限的电池能量并尽力延长整体网络的生存时间成为传感器网络面临的首要挑战。

在无线传感器网络中使用分簇路由协议的方式传输数据是减少能耗、消除数据冗余、延长网络寿命的一种重要方法。分簇路由协议具有以下几个优点：1、簇内节点大部分时间可以关闭通信模块，这在很大程度上节省了网络能量，显著地延长整个网络的生存周期；2、簇头融合了簇内成员节点的数据之后再进行转发，减少了数据通信量，从而节省了网络能量；3、簇内节点的功能比较简单，无须维护复杂的路由信息，这大大减少了网络中路由控制信息的数量，减少了通信量；4、分簇式拓扑结构便于管理，有利于分布式算法的应用，可以对系统变化作出快速反应，具有较好的可扩展性，适合大规模网络。在分簇路由协议中，低功耗自适应集簇分层型协议(LEACH)最具有代表性，它的基本思想是：以循环的方式随机选择簇头节点，将整个网络的能量负载平均分配到每个传感器节点中，从而达到降低网络能源消耗、提高网络整体生存时间的目的。

尽管LEACH协议能够有效提高网络的生存时间，但是协议仍存在着一些值得讨论的问题：(1)、协议没有说明簇头节点的数目怎么分布才能遍及于整个网络。因此，很可能出现被选的簇头节点集中在网络某一区域的现象，这样就会使得一些节点的周围没有任何簇头节点；(2)、由于LEACH协议假定在最初的簇头选择回合中，所有的节点都携带相同的能量，并且每个成为簇头的节点都消耗大致相同的能量。因此，协议不适合节点能量不均衡的网络。

发明内容

本发明的目的是针对现有的分簇路由协议不适合节点能量不均衡的网络的问题，提出一种可信的无线传感网数据节能汇聚方法。将整个网络的能量负载均衡地分配到每一个传感节点上的方法，同时利用数据汇聚技术减少能耗、消除数据冗余、增加从源节点到基站的有用信息流，从而达到延长整体网络寿命的目的节能汇聚方法。

本发明的技术方案是：

一种可信的无线传感网数据节能汇聚方法，传感器节点随机均匀分布在一个矩形区域A内，在区域A以外的一个固定位置有唯一的基站BS，各传感器节点根据其自身的剩余能量E_current以及忠诚邻居节点数L来竞争簇头，如果节点的L×(E_current/E_max)≥f_min(t)，则该节点成为簇头；然后给各簇头分布一对应的随机数作为簇ID，广播加入簇的消息，收到该消息的邻居忠诚节点加入对应的簇，完成节点汇聚，

其中，f_min(t)是一个成簇限制函数，f_min(t)的形式为：

$f_{\min }\left(t\right)=({\mathrm{\πr}}^2\×d)e^{-\frac{t}{\mathrm{cT}}}+k$

上式中r为各传感器节点无线信号的平均覆盖半径；d为无线传感网汇聚区域内的簇节点密度，即单位面积拥有的平均节点数；c为成为簇头的迭代次数，T为每次的迭代时间，t为汇聚方法运行的时间，k为调整参数。

本发明的汇聚方法包括以下步骤：

(a)、簇头选举：传感器节点根据其自身的剩余能量以及忠诚邻居节点数来竞争簇头；

(b)、簇迁移：在各簇内找出最佳候选簇头即该节点拥有的忠诚节点数与其自身能量乘积值最大的节点，所述的候选簇头的忠诚节点包括该候选节点邻居节点中的游离节点以及候选簇头的普通忠诚节点即候选簇头的邻居节点中接收到候选簇头的信号强度最强的那些节点；

(c)传感器节点清理：将所有未被覆盖的节点做为簇头节点或者通过邻居节点成为其它簇的多跳成员节点，完成节点汇聚。

本发明的汇聚方法循环运行，每次分为簇的建立和数据传输两个阶段。在簇建立阶段，簇头选出后，簇头根据簇成员节点的数目，创建一个TDMA时隙调度，并把该TDMA调度广播；在数据传输阶段，簇成员按所分配的时隙将数据发送到簇头，簇头将聚合后的数据发送到基站。

本发明的汇聚方法具体包括如下步骤：

(a)、簇头选举：各传感器节点记录接受的基站无线电信号的强度，循环开始前，各传感器节点向邻居节点广播自己的ID、能量和状态即簇头节点，簇内节点和游离节点，并记录邻居节点向自身广播的ID、能量、状态和接受邻居节点向自己广播时检测到的无线电强度；

如果a是游离节点，它计算其邻居节点中作为节点a忠诚节点的个数L与自身能量的乘积，如果L×(E_current/E_max)≥f_min(t)，则a成为簇头，然后分布一个随机数作为簇ID，广播加入簇的消息，收到该消息的节点加入a簇；f_min(t)是一个成簇限制函数，

$f_{\min }\left(t\right)=({\mathrm{\πr}}^2\×d)e^{-\frac{t}{\mathrm{cT}}}+k$

上式中r为各传感器节点无线信号的平均覆盖半径；d为无线传感网汇聚区域内的簇节点密度，即单位面积拥有的平均节点数；c为成为簇头的迭代次数，T为每次的迭代时间，t为汇聚方法运行的时间，k为调整参数；

(b)、簇迁移：如果a是簇头节点，它从整个簇内找出最佳候选簇头b即拥有的忠诚节点数与其自身能量乘积值最大的节点，b的忠诚节点包括b邻居节点中的游离节点以及b的普通忠诚节点即b的邻居节点中接收到b的信号强度最强的那些节点，如果b就是a本身，则本轮迭代终止，簇结构不变；如果b是其它节点，则开始运行簇迁移方法，将簇头从a节点迁移到b节点；

(c)、传感器节点清理：将所有未被覆盖的节点做为簇头节点或者通过邻居节点成为其它簇的多跳成员节点，即先判断未被覆盖的节点的通信范围内的邻居节点是否已经成为某个簇的成员，如果是，则该游离节点通过该邻居成为该簇的多跳成员节点；如果该游离节点通信范围内的所有邻居节点都不是任何簇的成员或者该游离节点通信范围内没有节点，则该游离节点成为一个簇头节点，完成节点汇聚。

本发明的步骤(b)中，簇迁移方法包括以下步骤：传感器节点a向b发出簇迁移消息，b收到后用a簇ID广播簇加入消息，收到该消息的所有节点加入b簇，a收到b的簇加入消息之后广播退让簇头消息，这样，原来a簇的节点如果是b的邻居节点，则从a迁移到了b；不是b的邻居节点，则退出了该簇。由此完成了从a到b的簇的迁移。

本发明的有益效果：

本发明实现了将无线传感器网络的整体能量负载均衡地分配到每一个节点上，提高网络的整体生存时间；分簇路由协议使得簇内节点大部分时间可以关闭通信模块，这在很大程度上节省了网络能量；通过数据融合减少了数据通信量，消除了数据冗余，增加了从源节点到基站的有用信息流；分簇式拓扑结构便于管理，有利于分布式算法的应用，可以对系统变化作出快速反应，具有较好的可扩展性；弥补了LEACH协议的一些缺陷，使得最终生成的簇可以覆盖整个网络，并且适用于初始节点能量不均衡的网络。

本发明的簇内成员同簇头之间单跳通讯(除极少部分的多跳簇成员节点)，即每个节点把采集到的数据直接发送给簇头。簇头收集簇内成员发送来的数据后进行融合、压缩，直接发送给基站(BS)。

本发明中，在选择簇头时考虑了节点剩余能量的状况，整个过程贯穿能量控制。由于簇头节点比簇成员节点消耗更多的能量，为避免个别节点过早死亡，协议使簇内所有节点轮流充当簇头，簇头能量开销被均匀地分布到每个节点上。

本发明的在运行过程中不断的循环执行簇的重构过程，每个簇重构过程可以用回合的概念来描述。每个回合可以分成两个阶段：簇的建立阶段和传输数据的稳定阶段。为了节省资源开销，稳定阶段的持续时间要长于建立阶段的持续时间。簇的建立通过三轮迭代形成。

本发明中，优化簇头的分布，减小簇与簇的覆盖区域重叠，减少簇间的通讯干扰造成的消息重传导致的额外能量开销。图2描述了簇覆盖区域重叠所造成的通讯干扰，节点A与节点B分别为两个簇的簇头，节点C处在簇A、B覆盖区域的重叠区，节点C是簇A的簇成员节点，节点D为簇B的簇成员节点，假如节点C与节点D在同一个TDMA时隙向各自的簇头发送数据，由于C节点处在两个簇的重叠区，它发送的数据都会被簇头A与B收到，从而C节点会对D节点发送数据造成信道干扰，导致D节点发送数据不成功。由于无线信道的干涉现象，当两个簇头的位置小于簇半径时，更会加剧簇间干扰，造成不必要的消息重传，从而导致额外的能量开销。本汇聚方法采用的簇生成算法具有良好的反馈机制，使每个簇拥有的忠诚节点(忠诚节点是指那些只属于一个簇的节点，如图2中的D节点)的个数最大，通过迭代成簇，形成的簇重叠区域小，有效减少簇间通讯干扰，降低簇通讯代价。

本发明通过数据融合减少簇头向基站(BS)发送的数据量。用户一般不会需要网络所采集的所有数据，更关心被监测环境中所发生事情的高层表述。

附图说明

图1为本发明的传感器网络模型示意图。

图2为本发明中簇覆盖区域重叠造成的簇间通讯干扰示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

一种可信的无线传感网数据节能汇聚方法本发明，采用如图1所示的传感器网络模型：(1)、传感器节点随机均匀分布在一个矩形区域A；(2)、在区域A以外的一个固定位置有唯一的基站(BS)；(3)、所有节点有足够的计算能力来支持信号处理和计算路由，并且地位平等；(4)、节点间的通信采用广播信道，并且节点可根据接收信号的强度，或者接收数据时间的先后等判断信源相对自己的远近；(5)、无线发射功率可控，即节点可以根据距离来调整发射功率的大小。

汇聚方法按回合循环运行，每回合分为簇的建立和数据传输两个阶段。在簇建立阶段，簇头选出后，簇头根据簇成员节点的数目，创建一个TDMA时隙调度，并把该TDMA调度广播。在数据传输阶段，簇成员按所分配的时隙将数据发送到簇头，簇头将聚合后的数据发送到基站。

本汇聚方法采用具有良好反馈机制的自适应分布式成簇算法，簇的建立包括簇的产生和簇的迁移两个逻辑部分。基于相邻节点之间的信息反馈，每个节点独立运行本汇聚方法算法，最终由两个逻辑部分交叉迭代形成簇。对任意节点，在簇建立阶段都要运行簇生成算法，在网络正式工作之前，基站将对整个网络进行广播，每个节点记录接受的基站无线电信号的强度。回合循环开始前，节点向邻居节点广播自己的ID、能量和状态，并记录邻居节点广播的ID、能量、状态和接受无线电强度。

节点分为三种类型：簇头节点，簇内节点、游离节点。游离节点未加入任何簇，簇内节点已经成为某个簇的成员，簇头节点已经成为某个簇的簇头。每轮迭代周期到来，各节点随机延迟一段时间，然后根据状态分别运行对应的迭代算法。

如a是游离节点，它计算其邻居节点中忠诚节点的个数L与自身能量等级的乘积，如果L×(E_current/E_max)≥f_min(t)，则a成为簇头，然后选择一个随机数作为簇ID，广播JOIN消息，收到该消息的节点加入a簇。f_min(t)是一个成簇限制函数，随着方法运行时间t的增加，f_min(t)会减小。这样有利于刚开始时形成拓扑比较合理的簇，而后降低成簇的阈值，使未被覆盖的节点较为容易地形成簇。f_min(t)的形式为：

$f_{\min }\left(t\right)=({\mathrm{\πr}}^2\×d)e^{-\frac{t}{\mathrm{cT}}}+k$

上式中r为节点无线信号的平均覆盖半径；d为系统的簇节点密度，即单位面积拥有的平均节点数；c为迭代次数，T为每次的迭代时间，t为协议运行的时间，k为调整参数。

如果a是簇头节点，它从整个簇内找出最佳候选簇头b(最佳候选簇头是指拥有的忠诚节点数与其自身能量等级乘积值最大的节点)，b的忠诚节点包括b邻居节点中的游离节点以及只属于b簇的成员节点。如果b就是a本身，则本轮迭代终止，簇结构不变；如果b是其它节点，则开始运行迁移算法：a向b发出DIVERT消息，b收到后用a簇ID广播JOIN消息，收到该消息的所有节点加入b簇。a收到b的JOIN消息之后广播ABDICATE消息。这样，原来a簇的节点如果是b的邻居节点，则从a迁移到了b；不是b的邻居节点，则退出了该簇。由此完成了从a到b的簇的迁移。

如果a是簇内节点，则本次迭代周期保持静默状态。

当所有节点都完成迭代算法之后，有可能少量节点没有被覆盖，所以最后还需要进行一次“清理”迭代，该过程不再发生簇的迁移，所有未被覆盖的节点成为簇头节点或者通过邻居节点成为其它簇的多跳成员节点。

经过上述“簇头选举”—“簇迁移”—“清理”三轮迭代后，如果是簇头节点，迭代完成；如果是簇内节点，等待它周围的所有的簇头节点迭代完成，然后在不超过每个簇的成员节点数量上限的基础上，选择接收信号强度最大的簇头节点作为簇头加入该簇；如果是游离节点，等待它周围邻居节点中所有的簇内节点迭代完成，然后选择一个接收信号强度最大的簇内节点作为代理，成为多跳簇成员节点。

本发明的簇生成方法是分布式的，复杂度与簇节点密度d有关，时间复杂度固定为0(d)。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种可信的无线传感网数据节能汇聚方法，传感器节点随机均匀分布在一个矩形区域A内，在区域A以外的一个固定位置有唯一的基站BS，其特征是各传感器节点根据其自身的剩余能量E_current以及忠诚邻居节点数L来竞争簇头，如果节点的L×(E_current/E_max)≥f_min(t)，则该节点成为簇头；然后给各簇头分布一对应的随机数作为簇ID，广播加入簇的消息，收到该消息的忠诚邻居节点加入对应的簇，完成节点汇聚，其中，f_min(t)是一个成簇限制函数，

$f_{\min }\left(t\right)=({\mathrm{\πr}}^2\×d)e^{-\frac{t}{\mathrm{cT}}}+k$

上式中r为各传感器节点无线信号的平均覆盖半径；d为无线传感网汇聚区域内的簇节点密度，即单位面积拥有的平均节点数；c为成为簇头的迭代次数，T为每次的迭代时间，t为汇聚方法运行的时间，k为调整参数。

2.根据权利要求1所述的可信的无线传感网数据节能汇聚方法，其特征是所述的汇聚方法包括以下步骤：

（a）、簇头选举：传感器节点根据其自身的剩余能量以及忠诚邻居节点数来竞争簇头；

（b）、簇迁移：在各簇内找出最佳候选簇头即该节点拥有的忠诚节点数与其自身能量乘积值最大的节点，所述的候选簇头的忠诚节点包括该候选节点邻居节点中的游离节点以及候选簇头的普通忠诚节点即候选簇头的邻居节点中接收到候选簇头的信号强度最强的那些节点；

（c）传感器节点清理：将所有未被覆盖的节点做为簇头节点或者通过邻居节点成为其它簇的多跳成员节点，完成节点汇聚。

3.根据权利要求1所述的可信的无线传感网数据节能汇聚方法，其特征是所述的汇聚方法循环运行，每次分为簇的建立和数据传输两个阶段；在簇建立阶段，簇头选出后，簇头根据簇成员节点的数目，创建一个TDMA时隙调度，并把该TDMA调度广播；在数据传输阶段，簇成员按所分配的时隙将数据发送到簇头，簇头将聚合后的数据发送到基站。

4.根据权利要求1或2所述的可信的无线传感网数据节能汇聚方法，其特征是所述的汇聚方法具体包括如下步骤：

（a）、簇头选举：各传感器节点记录接受的基站无线电信号的强度，循环开始前，各传感器节点向邻居节点广播自己的ID、能量和状态即簇头节点，簇内节点和游离节点，并记录邻居节点向自身广播的ID、能量、状态和接受邻居节点向自己广播时检测到的无线电强度；如果a是游离节点，它计算其邻居节点中作为节点a忠诚节点的个数L与自身能量的乘积，如果L×(E_current/E_max)≥f_min(t)，则a成为簇头，然后分布一个随机数作为簇ID，广播加入簇的消息，收到该消息的节点加入a簇，f_min(t)的形式为：

$f_{\min }\left(t\right)=({\mathrm{\πr}}^2\×d)e^{-\frac{t}{\mathrm{cT}}}+k$

上式中r为各传感器节点无线信号的平均覆盖半径；d为无线传感网汇聚区域内的簇节点密度，即单位面积拥有的平均节点数；c为成为簇头的迭代次数，T为每次的迭代时间，t为汇聚方法运行的时间，k为调整参数；节点a忠诚节点包括a邻居节点中的游离节点以及a的普通忠诚节点即a的邻居节点中接收到a的信号强度最强的那些节点；

（b）、簇迁移：如果a是簇头节点，它从整个簇内找出最佳候选簇头b即拥有的忠诚节点数与其自身能量乘积值最大的节点，b的忠诚节点包括b邻居节点中的游离节点以及b的普通忠诚节点即b的邻居节点中接收到b的信号强度最强的那些节点，如果b就是a本身，则本轮迭代终止，簇结构不变；如果b是其它节点，则开始运行簇迁移方法，将簇头从a节点迁移到b节点；

（c）、传感器节点清理：将所有未被覆盖的节点做为簇头节点或者通过邻居节点成为其它簇的多跳成员节点，即先判断未被覆盖的节点的通信范围内的邻居节点是否已经成为某个簇的成员，如果是，则该游离节点通过该邻居成为该簇的多跳成员节点；如果该游离节点通信范围内的所有邻居节点都不是任何簇的成员或者该游离节点通信范围内没有节点，则该游离节点成为一个簇头节点，完成节点汇聚。

5.根据权利要求4所述的可信的无线传感网数据节能汇聚方法，其特征是所述的步骤（b）中，簇迁移方法包括以下步骤：传感器节点a向b发出簇迁移消息，b收到后用a簇ID广播簇加入消息，收到该消息的所有节点加入b簇，a收到b的簇加入消息之后广播退让簇头消息，这样，原来a簇的节点如果是b的邻居节点，则从a迁移到了b；不是b的邻居节点，则退出了该簇；由此完成了从a到b的簇的迁移。

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