CN102448139A - 一种采用分层的无线传感网路由方法 - Google Patents

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本发明公开了一种采用分层的无线传感网路由方法。本发明的方法包括：整个网络生命周期分为若干轮，在每轮中节点先判断自己的能量能否维持一轮所需的消耗，能够维持一轮的节点根据一定的簇头选举机制选举出簇头节点，簇头节点在相互通信中确定多跳传输路径。不能维持一轮节点直接成为普通节点，其它未当选簇头的普通节点则加入距自己最近的簇中。本发明技术方案能够降低能量的损耗，延长网络的生命周期，并有效的降低了信息的延时。

Description

一种采用分层的无线传感网路由方法
技术领域
 本发明涉及无线传感器网络路由算法，具体涉及一种采用分层的无线传感网路由方法。
背景技术
在对此方法的研究和实践过程中，本发明的发明人发现：WSN(Wireless Sensor Network)是一种无基础设施的网络，它由一组传感器节点以自组织方式构成，其目的是协作感知、采集和处理网络覆盖地理区域中感知对象的信息，并对这些数据进行处理，获得详尽准确的信息，最终将这些信息传送给需要的用户。近年来，WSN路由协议的研究一直是无线传感器网络研究的热点。
与平面路由协议相对应，分层路由协议主要是为了解决网络的可扩展性和路由的效率而提出来的。分层路由协议中节点被分成不同的层次，层次低的节点从属于层次高的节点。低层次的节点把自己的数据传送给高层次的节点，由高层次的节点完成数据的汇聚后再把数据转发给sink节点。路由的选择是由高层次的节点完成的。分层路由协议一般分成两个部分，第一个部分是层次划分阶段，第二个部分是数据传输阶段。
LEACH路由协议是较早提出来的分层协议，该协议的运作流程是将整个生命周期分为一轮一轮，每轮分为簇的建立和数据传输两个阶段，数据传输阶段要比簇的建立阶段所需的时间长，以减少簇的建立所需的能量消耗。在簇的建立阶段，节点产生一个随机数，并将该数与阈值比较，该阈值为
Figure 2011104453806100002DEST_PATH_IMAGE002
其中G是近1/p轮中没有当选为簇头节点的集合，r为当前轮数，p为最佳簇头概率。若随机数比阈值小，则成为簇头节点并以一定功率广播成为簇头节点的信息，否则成为普通节点。在数据传输阶段，普通节点先将数据传送给簇头节点，簇头节点在进行数据融合之后，直接将数据传送给sink节点。Leach算法有点能均衡节点能量的消耗，延长网络的生命周期；缺点一是节点在竞争成为簇头节点是没有考虑到节点自身的能量，若节点能量不够本轮消耗的节点成为簇头则无法维持本轮所需消耗，该簇在本次信息传输时将成为盲区，缺点二是簇头节点直接传送数据给sink节点，若簇头节点与sink节点之间的距离较大，需采用多径传输模型时，则需消耗较多的能量来传输数据。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用分层的无线传感网路由方法，能够有效的均衡网络中所有节点的能量消耗，延长网络的生存时间，并减少信号的传输延时。
本发明的技术方案是，根据LEACH算法，在簇头选取阶段先保证了该节点能够支持一轮信息传输的情况下，在参与簇头节点的竞争。为降低距离较远的簇头节点直接传送数据给sink节点所消耗的大量能量，本发明采取了多跳的传送方式，并确保了下一跳的转发节点能够有足够的能量即能支持自己簇内的信息传输，也能支持转发信息所消耗的能量。具体步骤如下：
1)  节点确定自己与sink节点的距离；
2)  节点估算自己的能量能不能当选簇头；
3)  能参与簇头竞争的节点参与簇头竞争，不能的则直接成为普通节点；
4)  簇头之间通过信息交互的方式确定下一跳转发节点；
5)  非簇头节点加入簇；
6)  簇头根据收到加入簇的节点个数，安排时隙给加入本簇的节点；
7)  数据传输；
8)  重复步骤2至步骤7，直至所有节点能量耗尽。
上述步骤1中，节点首先确定自己与sink节点的距离的步骤是：(a)节点一旦部署，就不再改变其位置，sink节点以最大功率广播位置信息，以使得所有节点都收到其广播信息，广播信息里包含了sink节点的位置信息和以sink节点圆心的一系列的同心圆，以sink节点的同心圆的最外层为第一层同心圆，最外层旁边的为第二层同心圆，以此类推；(b)传感器节点收到广播信息之后，确定其与sink节点的距离，并确定其在以sink为圆心的同心圆的层数；(c)节点在确定其与sink节点的距离之后，将该距离进行保存。
上述步骤2中，节点估算自己的能量能不能当选簇头的步骤是：(a)节点首先估算成为簇头节点之后，维持一轮所需消耗的能量，在此簇内成员个数估算方法是，存活节点总数与最佳簇头个数的商，其中最佳簇头个数为存活节点总数与最佳簇头概率相乘的值；(b)节点所剩能量比步骤(a)里所估算的需消耗的能量多，则可参与簇头竞选。
上述步骤3中，节点参与簇头竞争的步骤是：(a)可参与簇头竞选的节点产生随机数；(b)节点将产生的随机数与一个阈值相比较，该阈值为
Figure 2011104453806100002DEST_PATH_IMAGE004
其中G是近1/p轮中没有当选为簇头节点的集合，r为当前轮数，p为最佳簇头概率；(c)如果随机数比阈值小，则成为簇头节点并以一定功率广播成为簇头节点的信息，否则成为普通节点。
上述步骤4中，簇头之间通过信息交互的方式确定下一跳转发节点的步骤是：(a)第i层同心圆里的簇头在延时T*(i-1)后以一定发送功率发送寻找下一跳转发节点的信息，其中T为最小延时单位，i为第i层得同心圆；(b)收到寻找下一跳转发节点信息的簇头节点，先将发送寻找下一跳节点的簇头到sink节点距离与自己到sink节点的距离进行比较，若自己到sink节点的距离较近，则进入下一步骤，否则不作任何处理；(c)该簇头节点判断自己的能量在支持自己簇内工作基础上，能够有剩余能量支持该次转发数据，则发送同意成为下跳路径的信息；(d)若一定时间内，第i层簇头节点没有收到能够转发数据的信息，则加大发送功率发送寻找下一跳转发节点的信息，重复步骤(b)至(d)，直至最后的簇头节点的下一跳是sink节点；(e)广播成为簇头信息，该信息里包括自己位置信息。
上述步骤5中，非簇头节点加入簇的步骤是：(a)普通节点接收簇头广播信息；(b)根据接收信息，计算出自己与这些簇头之间的距离；(c)根据距离判断哪个簇头更近；(d)加入簇头离自己最近的簇，并发送加入信息。
上述步骤6中，簇头根据收到加入信息，安排时隙给加入本簇的节点发送信息的步骤是：(a)簇头收到普通节点发送的要求加入簇的信息；(b)根据收到的簇成员节点的总个数为其分配时隙，并广播，之后普通节点即可以分配好的时隙里向簇头传输信息。
上述步骤7中，数据传输的步骤是：(a)非簇头节点在簇头为其分配好的时隙里传送数据至簇头节点。(b)簇头节点在收齐了普通节点发送过来数据之后，进行数据融合；(c)簇头节点按照确定了的下一跳将数据发送至sink节点。
上述步骤8中，完成了一轮的数据传输之后，重复步骤2至步骤7，直至所有节点能量耗尽。
本发明技术方案的优点：由于本发明实施例采用簇头能量估计和转发信息，因此能够避免成为簇头时的节点失效及减少传送信息时的能量损耗，有效的均衡网络中所有节点的能量消耗，延长网络的生存时间，并减少信号的传输延时。
附图说明
图1为本发明一个传感器网络图。
图2为本发明以sink节点为圆心划定的一系列的同心圆。
图3为本发明每轮的流程图。
具体实施方式
如图1、图2、图3所示，本发明步骤：
1、节点确定与sink节点的距离
这一过程的步骤是：(a)节点一旦部署，就不再改变其位置，sink节点以最大功率广播位置信息，以使得所有节点都收到其广播信息，广播信息里包含了sink节点的位置信息和以sink节点圆心的一系列的同心圆，以sink节点的同心圆的最外层为第一层同心圆，最外层旁边的为第二层同心圆，以此类推；(b)传感器节点收到广播信息之后，确定其与sink节点的距离，并确定其在以sink为圆心的同心圆的层数；(c)节点在确定其与sink节点的距离之后，将该距离进行保存。
2、簇建立阶段
节点估算自己的能量能不能当选簇头的步骤是：(a)节点首先估算成为簇头节点之后，维持一轮所需消耗的能量，在此簇内成员个数估算方法是，存活节点总数与最佳簇头个数的商，其中最佳簇头个数为存活节点总数与最佳簇头概率相乘的值；(b)节点所剩能量比步骤(a)里所估算的需消耗的能量多，则可参与簇头竞选。
节点参与簇头竞争的步骤是：(a)可参与簇头竞选的节点产生随机数；(b)节点将产生的随机数与一个阈值相比较，该阈值为
Figure 824764DEST_PATH_IMAGE004
其中G是近1/p轮中没有当选为簇头节点的集合，r为当前轮数，p为最佳簇头概率；(c)如果随机数比阈值小，则成为簇头节点并以一定功率广播成为簇头节点的信息，否则成为普通节点。
簇头之间通过信息交互的方式确定下一跳转发节点的步骤是：(a)第i层同心圆里的簇头在延时T*(i-1)后以一定发送功率发送寻找下一跳转发节点的信息，其中T为最小延时单位，i为第i层得同心圆；(b)收到寻找下一跳转发节点信息的簇头节点，先将发送寻找下一跳节点的簇头到sink节点距离与自己到sink节点的距离进行比较，若自己到sink节点的距离较近，则进入下一步骤，否则不作任何处理；(c)该簇头节点判断自己的能量在支持自己簇内工作基础上，能够有剩余能量支持该次转发数据，则发送同意成为下跳路径的信息；(d)若一定时间内，第i层簇头节点没有收到能够转发数据的信息，则加大发送功率发送寻找下一跳转发节点的信息，重复步骤(b)至(d)，直至最后的簇头节点的下一跳是sink节点；(e)广播成为簇头信息，该信息里包括自己位置信息。
非簇头节点加入簇的步骤是：(a)普通节点接收簇头广播信息；(b)根据接收信息的强度判断哪个簇头更近，若接收信号强度大的节点则距离更近；(c)加入簇头离自己最近的簇，并发送加入信息。
簇头根据收到加入信息，安排时隙给加入本簇的节点发送信息的步骤是：(a)簇头收到普通节点发送的要求加入簇的信息；(b)根据收到的簇成员节点的总个数为其分配时隙，并广播，之后普通节点即可以分配好的时隙里向簇头传输信息。
3、稳定阶段
数据传输的步骤是：(a)非簇头节点在簇头为其分配好的时隙里传送数据至簇头节点。(b)簇头节点在收齐了普通节点发送过来数据之后，进行数据融合；(c)簇头节点按照确定了的下一跳节点将数据发送至sink节点。

Claims (9)

1.一种采用分层的无线传感网路由方法，其特征在于，包括：
节点确定自己与sink节点的距离；
节点估算自己的能量能不能当选簇头；
能参与簇头竞争的节点参与簇头竞争，不能的则直接成为普通节点；
簇头之间通过信息交互的方式确定下一跳转发节点；
非簇头节点加入簇；
簇头根据收到加入簇的节点个数，安排时隙给加入本簇的节点；
数据传输；
重复步骤2至步骤7，直至所有节点能量耗尽。
2.根据权利要求1所述的一种采用分层的无线传感网路由方法，其特征在于所述的步骤1中，节点首先确定自己与sink节点距离的步骤是：(a)节点一旦部署，就不再改变其位置，sink节点以最大功率广播位置信息，以使得所有节点都收到其广播信息，广播信息里包含了sink节点的位置信息和以sink节点圆心的一系列的同心圆，以sink节点的同心圆的最外层为第一层同心圆，最外层旁边的为第二层同心圆，以此类推；(b)传感器节点收到广播信息之后，确定其与sink节点的距离，并确定其在以sink为圆心的同心圆的层数；(c)节点在确定其与sink节点的距离之后，将该距离进行保存。
3.根据权利要求1所述的一种采用分层的无线传感网路由方法，其特征在于所述的步骤2中，节点估算自己的能量能不能当选簇头的步骤是：(a)节点首先估算成为簇头节点之后，维持一轮所需消耗的能量，在此簇内成员个数估算方法是，存活节点总数与最佳簇头个数的商，其中最佳簇头个数为存活节点总数与最佳簇头概率相乘的值；(b)节点所剩能量比步骤(a)里所估算的需消耗的能量多，则可参与簇头竞选。
4.根据权利要求1所述的一种采用分层的无线传感网路由方法，其特征在于所述的步骤3中，节点参与簇头竞争的步骤是：(a)可参与簇头竞选的节点产生随机数；(b)节点将产生的随机数与一个阈值相比较，该阈值为
其中G是近1/p轮中没有当选为簇头节点的集合，r为当前轮数，p为最佳簇头概率；(c)如果随机数比阈值小，则成为簇头节点并以一定功率广播成为簇头节点的信息，否则成为普通节点。
5.根据权利要求1所述的一种采用分层的无线传感网路由方法，其特征在于所述的步骤4中，簇头之间通过信息交互的方式确定下一跳转发节点的步骤是：(a)第i层同心圆里的簇头在延时T*(i-1)后以一定发送功率发送寻找下一跳转发节点的信息，其中T为最小延时单位，i为第i层得同心圆；(b)收到寻找下一跳转发节点信息的簇头节点，先将发送寻找下一跳节点的簇头到sink节点距离与自己到sink节点的距离进行比较，若自己到sink节点的距离较近，则进入下一步骤，否则不作任何处理；(c)该簇头节点判断自己的能量在支持自己簇内工作基础上，能够有剩余能量支持该次转发数据，则发送同意成为下跳路径的信息；(d)若一定时间内，第i层簇头节点没有收到能够转发数据的信息，则加大发送功率发送寻找下一跳转发节点的信息，重复步骤(b)至(d)，直至最后的簇头节点的下一跳是sink节点；(e)广播成为簇头信息，该信息里包括自己位置信息。
6.根据权利要求1所述的一种采用分层的无线传感网路由方法，其特征在于所述的步骤5中，非簇头节点加入簇的步骤是：(a)普通节点接收簇头广播信息；(b)根据接收信息，计算出自己与这些簇头之间的距离；(c)根据距离判断哪个簇头更近；(d)加入簇头离自己最近的簇，并发送加入信息。
7.根据权利要求1所述的一种采用分层的无线传感网路由方法，其特征在于所述的步骤6中，簇头根据收到加入信息，安排时隙给加入本簇的节点发送信息的步骤是：(a)簇头收到普通节点发送的要求加入簇的信息；(b)根据收到的簇成员节点的总个数为其分配时隙，并广播，之后普通节点即可以分配好的时隙里向簇头传输信息。
8.根据权利要求1所述的一种采用分层的无线传感网路由方法，其特征在于所述的步骤7中，数据传输的步骤是：(a)非簇头节点在簇头为其分配好的时隙里传送数据至簇头节点；(b)簇头节点在收齐了普通节点发送过来数据之后，进行数据融合；(c)簇头节点按照确定了的下一跳将数据发送至sink节点。
9.根据权利要求1所述的一种采用分层的无线传感网路由方法，其特征在于所述的步骤8中，完成了一轮的数据传输之后，重复步骤2至步骤7，直至所有节点能量耗尽。
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