CN102905336A - 路由方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种路由方法及系统。路由方法用于无线传感器网络，包括：在设定的选择周期开始后，根据无线传感器网络中各节点之间的空间相关性和各节点的剩余能量选择簇头节点；根据所述簇头节点对所述无线传感器网络中的各节点进行分簇；按照分簇结果进行路由。本发明的路由方法及系统，在簇头的选择上，使得相邻的节点尽量的聚集在一个簇中，使同簇节点之间尽可能的紧凑，簇间节点尽可能的分开。这样最大限度地将邻近节点集中分簇，便于更充分的利用节点之间的空间相关性，方便进行数据的去冗余及数据融合，从而达到降低节点能耗、均衡全网能量的目的，并因此有效地延长了无线传感器网络的寿命。

Description

路由方法及系统
技术领域
本发明涉及通信领域，尤其涉及一种路由方法及系统。
背景技术
WSNs（Wireless Sensor Networks，无线传感器网络）是物联网的重要组成部分。随着物联网技术的不断发展，无线传感器网络也成为21世纪最重要的创新性技术之一。无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点（Sensor）和汇聚节点（Sink Node）组成的，传感器节点和汇聚节点通过无线通信方式组成多跳自组织网络系统，传感器节点通过协作方式（为了充分发挥传感器网络的监测能力，必须协作网络中众多资源有限的传感器节点，以有效解决监控区域内数据的采集、处理、传输及展示问题，这样一种方式叫协作方式）将网络覆盖区域中感知对象的信息传输到汇聚节点，汇聚节点再传输给观测者分析及处理。
传感器节点具有的电源能量、处理能力、存储能力和通信能力等都十分有限。因此，无线传感器网络的首要设计目标是能源的高效使用。路由算法执行效率的高低直接决定了传感器节点收发控制性数据与有效采集数据的比率，从而影响到整个传感器网络的能耗与寿命，因此，路由算法是无线传感器网络网络层的核心内容。无线传感器网络路由协议是否能够最大限度地节约节点能耗、维持网络结构稳定，是无线传感器网络技术发展的重要方向。节能、高效的路由算法一直是无线传感器网络领域的研究人员研究的热点。目前，大部分路由算法都是基于分簇机制，非簇头节点将采集到的数据传输给簇头节点，再由簇头节点融合转发。分簇有利于分布式算法的应用，适合大规模部署的网络，减少了数据通信量，可以显著地延长整个网络的生命周期。
无线传感器网络是集成了监测、控制和无线通信的无线网络系统，协作式的采集、处理和发布感知信息是无线传感器网络的基本功能。因此，无线传感器网络的节点数目更为庞大（上千甚至上万个），传感器节点分布更为密集；与此同时，网络拓扑结构中的高密集度使得距离很近的传感器节点之间的数据传输，存在很大程度的空间相关性。传感器节点距离越近，空间相关度越高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种路由方法及系统，降低无线传感器网络的节点功耗。
为解决上述技术问题，本发明提出了一种路由方法，用于无线传感器网络，包括：
在设定的选择周期开始后，根据无线传感器网络中各节点之间的空间相关性和各节点的剩余能量选择簇头节点；
根据所述簇头节点对所述无线传感器网络中的各节点进行分簇；
按照分簇结果进行路由。
进一步地，上述路由方法还可具有以下特点，所述根据无线传感器网络中各节点之间的空间相关性和各节点的剩余能量选择簇头节点包括：
在开始建立无线传感器网络之前，随机选择K个节点作为初始簇头节点，其中，K为自然数；
重复进行簇头节点调整；
对簇头节点调整的次数进行计数，在计数达到设定重复次数值后停止簇头节点调整。
进一步地，上述路由方法还可具有以下特点，所述簇头节点调整包括：
根据簇头节点的位置信息，对于无线传感器网络内的每个节点，计算本节点与簇头节点之间的距离，并根据距离计算结果将本节点加入到距离最小的簇头节点所在的簇中；
在每个簇中，对于本簇中的每个节点i，计算本簇中各节点j与节点i的距离之和Li，Li=SUM（dij）(j=1...m,),其中，dij为节点i与节点j的距离,“SUM”表示求和，m为该簇中节点数量，i、j、m均为自然数；
计算每个簇中各节点的选择值Ki，Ki=Ei/Li，其中，Ei为簇内各节点的剩余能量与初始能量之间的比值，将每个簇中选择值Ki最大的节点作为该簇的簇头节点。
进一步地，上述路由方法还可具有以下特点，所述根据所述簇头节点对所述无线传感器网络中的各节点进行分簇包括：
对无线传感器网络内的每个节点，计算该节点与各簇头节点之间的距离，选出距离最小值对应的簇头节点，将该节点加入到该选出的簇头节点所在的簇中。
进一步地，上述路由方法还可具有以下特点，所述按照分簇结果进行路由包括：
按照分簇结果，非簇头节点将自身采集的数据传输给自身所在簇的簇头节点，该簇头节点再将所述数据融合转发给基站。
为解决上述技术问题，本发明提出了一种路由系统，用于无线传感器网络，包括：
簇头选择模块，用于在设定的选择周期开始后，根据无线传感器网络中各节点之间的空间相关性和各节点的剩余能量选择簇头节点；
分簇模块，用于根据所述簇头选择模块选择的簇头节点对所述无线传感器网络中的各节点进行分簇；
路由模块，用于按照所述分簇模块的分簇结果进行路由。
进一步地，上述路由系统还可具有以下特点，所述簇头选择模块包括：
初选单元，用于在开始建立无线传感器网络之前，随机选择K个节点作为初始的簇头节点，其中，K为自然数；
调整单元，用于在所述初选单元选择出初始的簇头节点后重复进行簇头节点调整；
计数单元，用于对所述调整单元进行簇头节点调整的次数进行计数，在计数达到设定重复次数值后停止簇头节点调整。
进一步地，上述路由系统还可具有以下特点，所述调整单元包括：
距离计算子单元，用于根据簇头节点的位置信息，对于无线传感器网络内的每个节点，计算本节点与簇头节点之间的距离，并根据距离计算结果将本节点加入到距离最小的簇头节点所在的簇中；
距离和计算子单元，用于在所述距离计算子单元处理完毕后，在每个簇中，对于本簇中的每个节点i，计算本簇中各节点j与节点i的距离之和Li，Li=SUM（dij）(j=1...m,),其中，dij为节点i与节点j的距离,“SUM”表示求和，m为该簇中节点数量，i、j、m均为自然数；
选择值计算及调整子单元，用于在所述距离和计算子单元处理完毕后，计算每个簇中各节点的选择值Ki，Ki=Ei/Li，其中，Ei为簇内各节点的剩余能量与初始能量之间的比值，Li为距离和计算子单元计算所得的本簇中各节点与节点i的距离之和，将每个簇中选择值Ki最大的节点作为该簇的簇头节点。
进一步地，上述路由系统还可具有以下特点，所述分簇模块包括：
第一分簇单元，用于对无线传感器网络内的每个节点，计算该节点与各簇头节点之间的距离，选出距离最小值对应的簇头节点，将该节点加入到该选出的簇头节点所在的簇中。
进一步地，上述路由系统还可具有以下特点，所述路由模块包括：
第一路由单元，用于按照分簇结果，非簇头节点将自身采集的数据传输给自身所在簇的簇头节点，该簇头节点再将所述数据融合转发给基站。
本发明的路由方法及系统，在簇头的选择上，使得相邻的节点尽量的聚集在一个簇中，使同簇节点之间尽可能的紧凑，簇间节点尽可能的分开。这样最大限度地将邻近节点集中分簇，便于更充分的利用节点之间的空间相关性，方便进行数据的去冗余及数据融合，从而达到降低节点能耗、均衡全网能量的目的，并因此有效地延长了无线传感器网络的寿命。
附图说明
图1为本发明实施例中簇头节点选择流程图；
图2为无线传感器网络的各节点经过图1的步骤101后的场景图；
图3为图1中步骤103的示意图；
图4为无线传感器网络的各节点经过图1的步骤104后的场景图；
图5为本发明实施例中路由系统的结构框图。
具体实施方式
本发明的主要构思是：充分利用协作节点之间的空间相关性，以改善通信协议的性能，降低能耗。
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
根据以上构思，本发明提出了一种路由方法，用于无线传感器网络，该方法包括以下步骤：
步骤一，在设定的选择周期开始后，根据无线传感器网络中各节点之间的空间相关性和各节点的剩余能量选择簇头节点（简称簇头）；
簇头节点是指被选作汇聚节点的传感器节点，非簇头节点指的是普通的传感器节点，也即没有被选作汇聚节点的传感器节点。在本发明中，传感器节点与汇聚节点只是功能上的区分，传感器节点与汇聚节点的通信能力、电源、计算能力是一样的。
无线传感器网络稳定一段时间之后，簇头节点能耗消耗较大。因此，步骤一中设置了选择周期，在每一个选择周期开始后，重新选择簇头，这样就实现了平衡各节点能耗的目的，有助于延长无线传感器网络的工作寿命。选择周期不宜设置过大也不宜设置太小，太小会使得分簇过于频繁而消耗能量，太大则会导致簇头节点能量消耗过快，不能达到能量均衡的目的。
步骤二，根据选择的簇头节点对无线传感器网络中的各节点进行分簇；
具体地，步骤二可以采用如下方式进行分簇：对无线传感器网络内的每个节点，计算该节点与各簇头节点之间的距离，选出距离最小值对应的簇头节点，将该节点加入到该选出的簇头节点所在的簇中。
步骤三，按照分簇结果进行路由。
具体地，步骤三可以采用如下方式进行路由：按照分簇结果，非簇头节点将自身采集的数据传输给自身所在簇的簇头节点，该簇头节点再将数据融合转发给基站。其中，非簇头节点是指除簇头节点外的其他节点。
融合是指对采集到的有用信息综合处理，如过滤、压缩及合成等，从而得到更为准确、更为有用的信息。
其中，步骤一可以采用图1的流程来选择簇头节点。图1为本发明实施例中簇头节点选择流程图。如图1所示，本实施例中，簇头节点的选择可以采用如下步骤：
步骤101，从无线传感器网络的全部节点中任意选择K个节点作为初始簇头，其中，K为自然数；
初始簇头是由基站随机选择的，基站将这K个初始簇头节点的信息向全网（无线传感器网络）广播，告知被选作为初始簇头节点的信息。
图2为无线传感器网络的各节点经过图1的步骤101后的场景图。图2中，基站与初始簇头直接通信，各普通节点是按照初始簇头进行分簇的，最终的选举簇头此时是簇中的普通节点。图2中，选举簇头是指通过图1的流程选择的簇头节点。
步骤102，根据簇头节点的位置信息，计算每个节点与这些簇头的距离，并根据最小距离将节点加入到相应的簇中；
假设节点i与第1至K个簇头节点的距离分别为d（1）、d（2）、d（3）……d（k-1）、d（k），其中，d（j）最小，j为自然数，且1≤j≤K，则将节点i加入到第j个簇头所在的簇中。
步骤103，对于本簇中的每个节点i，计算本簇中各节点j与节点i的距离之和Li，其中Li=SUM（dij）(j=1...m,m为该簇中节点数量),dij为节点i与节点j的距离,“SUM”表示求和，i、j、m均为自然数；
图3为图1中步骤103的示意图。如图3所示，该簇中共有m个节点，簇中各节点与节点i的距离之和为Li，簇中各节点与节点j的距离之和为Lj，则根据步骤103，有Li=di1+di2+di3…+dim,Lj＝dj1+dj2+dj3+…+djm。L值最小的节点，更接近于簇内的“质心”位置，从而有更好的集聚性。
步骤104，计算每个簇中各节点的选择值Ki，Ki=Ei/Li，其中Ei为簇内各节点的剩余能量与初始能量的比值，即Ei=簇中第i个节点的剩余能量/簇中第i个节点的初始能量，将选择值Ki最大的节点作为簇头。
步骤104将节点的剩余能量值作为簇头选择中的一个因素，这样能够均衡网络能量，延长网络工作寿命。
步骤102至步骤104是重复进行簇头节点调整。图4为无线传感器网络的各节点经过图1的步骤104后的场景图。图4中，基站与选举簇头直接通信，各普通节点是按照选举簇头进行分簇的，初始簇头此时是簇中的普通节点。图4中，选举簇头是指通过图1的流程选择的簇头节点。
由步骤102至步骤104可见，簇头选择、节点入簇都是基于距离而进行的，这样可以尽量让簇内节点聚集，而簇间节点分开，如此一来，簇内节点的空间相关性大，从而方便利用节点之间的空间相关性进行数据的去冗余和数据融合处理。
步骤105，判断计数是否大于S，若是则结束，停止簇头选择，否则执行步骤102。
这里，S是设定重复次数值，即预先设置的重复次数的上限值。每执行完一次步骤102至步骤104，计数就增1，直到计数值达到设定重复次数值S，就停止重复执行步骤102至步骤104了。
本发明的路由方法，在簇头的选择上，使得相邻的节点尽量的聚集在一个簇中，使同簇节点之间尽可能的紧凑，簇间节点尽可能的分开。这样最大限度地将邻近节点集中分簇，便于更充分的利用节点之间的空间相关性，方便进行数据的去冗余及数据融合，从而达到降低节点能耗、均衡全网能量的目的，并因此有效地延长了无线传感器网络的寿命。
本发明还提出了一种路由系统，用以执行上述的路由方法，上述路由方法中的所有描述均适用于本发明的路由系统。
图5为本发明实施例中路由系统的结构框图。图5的路由系统用于无线传感器网络。如图5所示，本实施例中，路由系统包括顺次相连的簇头选择模块410、分簇模块420和路由模块430。其中，簇头选择模块410用于在设定的选择周期开始后，根据无线传感器网络中各节点之间的空间相关性和各节点的剩余能量选择簇头节点。分簇模块420用于根据簇头选择模块410选择的簇头节点对无线传感器网络中的各节点进行分簇。路由模块430用于按照分簇模块420的分簇结果进行路由。
在本发明实施例中，簇头选择模块410可以进一步包括初选单元、调整单元和计数单元。初选单元用于在开始建立无线传感器网络之前，随机选择K个节点作为初始的簇头节点，其中，K为自然数。调整单元用于在初选单元选择出初始的簇头节点后重复进行簇头节点调整。计数单元用于对调整单元进行簇头节点调整的次数进行计数，在计数达到设定重复次数值后停止簇头节点调整。
在本发明实施例中，上述的调整单元还可以进一步包括距离计算子单元、距离和计算子单元和选择值计算及调整子单元。距离计算子单元用于根据簇头节点的位置信息，对于无线传感器网络内的每个节点，计算本节点与簇头节点之间的距离，并根据距离计算结果将本节点加入到距离最小的簇头节点所在的簇中。距离和计算子单元用于在距离计算子单元处理完毕后，在每个簇中，对于本簇中的每个节点i，计算本簇中各节点j与节点i的距离之和Li，Li=SUM（dij）(j=1...m,),其中，dij为节点i与节点j的距离,“SUM”表示求和，m为该簇中节点数量，i、j、m均为自然数。选择值计算及调整子单元用于在距离和计算子单元处理完毕后，计算每个簇中各节点的选择值Ki，Ki=Ei/Li，其中，Ei为簇内各节点的剩余能量与初始能量之间的比值，Li为距离和计算子单元计算所得的本簇中各节点与节点i的距离之和，将每个簇中选择值Ki最大的节点作为该簇的簇头节点。
在本发明实施例中，分簇模块可以包括第一分簇单元。第一分簇单元用于对无线传感器网络内的每个节点，计算该节点与各簇头节点之间的距离，选出距离最小值对应的簇头节点，将该节点加入到该选出的簇头节点所在的簇中。
在本发明实施例中，路由模块可以包括第一路由单元。第一路由单元用于按照分簇结果，非簇头节点将自身采集的数据传输给自身所在簇的簇头节点，该簇头节点再将所述数据融合转发给基站。
本发明的路由系统，在簇头的选择上，使得相邻的节点尽量的聚集在一个簇中，使同簇节点之间尽可能的紧凑，簇间节点尽可能的分开。这样最大限度地将邻近节点集中分簇，便于更充分的利用节点之间的空间相关性，方便进行数据的去冗余及数据融合，从而达到降低节点能耗、均衡全网能量的目的，并因此有效地延长了无线传感器网络的寿命。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种路由方法，用于无线传感器网络，其特征在于，包括：
在设定的选择周期开始后，根据无线传感器网络中各节点之间的空间相关性和各节点的剩余能量选择簇头节点；
根据所述簇头节点对所述无线传感器网络中的各节点进行分簇；
按照分簇结果进行路由。
2.根据权利要求1所述的路由方法，其特征在于，所述根据无线传感器网络中各节点之间的空间相关性和各节点的剩余能量选择簇头节点包括：
在开始建立无线传感器网络之前，随机选择K个节点作为初始簇头节点，其中，K为自然数；
重复进行簇头节点调整；
对簇头节点调整的次数进行计数，在计数达到设定重复次数值后停止簇头节点调整。
3.根据权利要求2所述的路由方法，其特征在于，所述簇头节点调整包括：
根据簇头节点的位置信息，对于无线传感器网络内的每个节点，计算本节点与簇头节点之间的距离，并根据距离计算结果将本节点加入到距离最小的簇头节点所在的簇中；
在每个簇中，对于本簇中的每个节点i，计算本簇中各节点j与节点i的距离之和Li，Li=SUM（dij）(j=1...m,),其中，dij为节点i与节点j的距离,“SUM”表示求和，m为该簇中节点数量，i、j、m均为自然数；
计算每个簇中各节点的选择值Ki，Ki=Ei/Li，其中，Ei为簇内各节点的剩余能量与初始能量之间的比值，将每个簇中选择值Ki最大的节点作为该簇的簇头节点。
4.根据权利要求1所述的路由方法，其特征在于，所述根据所述簇头节点对所述无线传感器网络中的各节点进行分簇包括：
对无线传感器网络内的每个节点，计算该节点与各簇头节点之间的距离，选出距离最小值对应的簇头节点，将该节点加入到该选出的簇头节点所在的簇中。
5.根据权利要求1所述的路由方法，其特征在于，所述按照分簇结果进行路由包括：
按照分簇结果，非簇头节点将自身采集的数据传输给自身所在簇的簇头节点，该簇头节点再将所述数据融合转发给基站。
6.一种路由系统，用于无线传感器网络，其特征在于，包括：
簇头选择模块，用于在设定的选择周期开始后，根据无线传感器网络中各节点之间的空间相关性和各节点的剩余能量选择簇头节点；
分簇模块，用于根据所述簇头选择模块选择的簇头节点对所述无线传感器网络中的各节点进行分簇；
路由模块，用于按照所述分簇模块的分簇结果进行路由。
7.根据权利要求6所述的路由系统，其特征在于，所述簇头选择模块包括：
初选单元，用于在开始建立无线传感器网络之前，随机选择K个节点作为初始的簇头节点，其中，K为自然数；
调整单元，用于在所述初选单元选择出初始的簇头节点后重复进行簇头节点调整；
计数单元，用于对所述调整单元进行簇头节点调整的次数进行计数，在计数达到设定重复次数值后停止簇头节点调整。
8.根据权利要求6所述的路由系统，其特征在于，所述调整单元包括：
距离计算子单元，用于根据簇头节点的位置信息，对于无线传感器网络内的每个节点，计算本节点与簇头节点之间的距离，并根据距离计算结果将本节点加入到距离最小的簇头节点所在的簇中；
距离和计算子单元，用于在所述距离计算子单元处理完毕后，在每个簇中，对于本簇中的每个节点i，计算本簇中各节点j与节点i的距离之和Li，Li=SUM（dij）(j=1...m,),其中，dij为节点i与节点j的距离,“SUM”表示求和，m为该簇中节点数量，i、j、m均为自然数；
选择值计算及调整子单元，用于在所述距离和计算子单元处理完毕后，计算每个簇中各节点的选择值Ki，Ki=Ei/Li，其中，Ei为簇内各节点的剩余能量与初始能量之间的比值，Li为距离和计算子单元计算所得的本簇中各节点与节点i的距离之和，将每个簇中选择值Ki最大的节点作为该簇的簇头节点。
9.根据权利要求6所述的路由系统，其特征在于，所述分簇模块包括：
第一分簇单元，用于对无线传感器网络内的每个节点，计算该节点与各簇头节点之间的距离，选出距离最小值对应的簇头节点，将该节点加入到该选出的簇头节点所在的簇中。
10.根据权利要求6所述的路由系统，其特征在于，所述路由模块包括：
第一路由单元，用于按照分簇结果，非簇头节点将自身采集的数据传输给自身所在簇的簇头节点，该簇头节点再将所述数据融合转发给基站。
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