CN103209456A - 一种采用分层的无线传感网路由方法 - Google Patents

一种采用分层的无线传感网路由方法 Download PDF

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龙承志
向满天
虞贵财
罗建平
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周海
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Abstract

本发明公开了一种采用分层的无线传感网路由改进方法。本发明的方法包括：整个网络生命周期分为若干轮，由传统无线传感网leach路由算法可知，传感器节点随机生成0至1之间的一个数，在此范围内的所有传感器节点将此数与阈值做比较，如果大于该阈值，则该节点就会当选为簇头，而其附近未当选为簇头的普通节点则加入该簇。本发明在阈值的设定中，引入节点能量密度调节函数概念，这样可以使得节点密集分布区域比稀疏分布区域具有更多簇头，使簇头的选取更加合理。本方法能够降低能耗并有效的延长了网络生命周期。

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：无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）就是由部署在监测区域内的大量廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。在无线传感网中，一个好的节点间的路由协议对网络的性能及安全有着至关重要的影响，因此，路由协议的研究已经成为国内外的一个研究热点。
在无线传感网中，LEACH算法是一种典型的层次路由算法，全称为低功耗自适应集簇分层协议(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)。该算法的基本思想是：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。　LEACH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大于建立阶段的持续时间。簇的建立过程可分成4个阶段：簇头节点的选择、簇头节点的广播、簇头节点的建立和调度机制的生成。
 LEACH路由协议主要分为两个阶段：即簇建立阶段(setup phase)和稳定运行阶段(ready phase)。簇建立阶段和稳定运行阶段所持续的时间总和为一轮(round)。为减少协议开销，稳定运行阶段的持续时间要长于簇建立阶段。在簇建立阶段，传感器节点随机生成一个0至1之间的随机数，并且与阈值T(n)做比较，如果小于该阈值，则该节点就会当选为簇头。在稳定阶段，传感器节点将采集的数据传送到簇头节点。簇头节点对采集的数据进行数据融合后再将信息传送给汇聚节点，汇聚节点将数据传送给监控中心来进行数据的处理。稳定阶段持续一段时间后，网络重新进入簇的建立阶段，进行下一轮的簇重建，不断循环。
本人在研究是的过程中，本人发现LEACH算法存在的问题：该算法没有考虑到某个区域中节点数量以及节点剩余能量对簇头选举所产生的负面影响，因此可能出现某一区域节点集中，但是成为簇头节点的数目却很少，也有可能出现某节点剩余能量很低，但却成为了簇头节点，导致节点过快的死亡，从而影响整个网络的生命周期。
 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，它能够有效的选取区域内的簇头节点和剩余能量较大的节点，延长网络的生命周期。
本发明是这样来实现的，本发明根据LEACH算法，在簇头选取阶段考虑节点的分布情况，节点分布密集的区域当选为簇头节点的概率应当适当较大；在考虑节点密度的同时，节点的剩余能量也是节点能否当选为簇头的一个重要因素之一，节点相对于这个网络的平均剩余能量越高，节点当选为簇头节点的概率越大。具体步骤如下：
1)    确定本节点与基站（即Sink点）之间的距离；
2)    引入节点密度调节函数以及能量调节函数，使得节点的选取更加的合理；
3)    节点参与簇头的选取，不能成为簇头的直接成为普通节点；
4)    簇头节点之间的相互通信；
5)    普通节点根据信号的强弱选择加入相应的簇；
6)    簇头节点安排时隙给本簇的节点；
7)    稳定传输数据阶段；
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，其位置便不再发生改变；Sink节点根据监测范围的大小选择合适的功率进行广播，确保监测范围内的所有节点都收到其广播的位置信息，广播信息里携带了Sink节点的位置以及以Sink节点为中心的一系列同心圆，靠近Sink节点的为最内层圆，依次往外推；(b)普通节点收到Sink节点的广播信息后，确定自己与Sink节点的距离以及所在同心圆的层数；(c)普通节点在确定其与Sink节点的距离以后，将此数据记录下来并保存。
上述步骤2中，引入密度调节函数以及能量调节函数，使得簇头的选取更加合理的步骤是：(a)确定节点分布密集区域和节点分布稀疏区域；(b)定义节点密度函数为
Figure 332413DEST_PATH_IMAGE001
其中
Figure 192790DEST_PATH_IMAGE002
为节点邻居节点的数目，由定义可知，当邻居节点越多，
Figure 156198DEST_PATH_IMAGE003
就越接近1，因此该节点成为簇头的概率就越大。(c)定义能量调节函数
Figure 726027DEST_PATH_IMAGE004
，其中，
Figure 862610DEST_PATH_IMAGE005
 为节点i的当前能量，
Figure 639811DEST_PATH_IMAGE006
为节点当前具备的平均能量，由定义可知，节点的剩余能量越大，越大，节点成为簇头的概率也就越大。(d)确定簇头的阈值门限。将原来的阈值门限的改为
Figure 528450DEST_PATH_IMAGE008
其中
Figure 203145DEST_PATH_IMAGE009
表示在
Figure 165678DEST_PATH_IMAGE010
轮中未当选为簇头节点的集合。
Figure 533205DEST_PATH_IMAGE003
为节点密度因子，
Figure 446935DEST_PATH_IMAGE007
表示能量调节因子。为确保
Figure 925321DEST_PATH_IMAGE003
与
Figure 5010DEST_PATH_IMAGE007
之和小于1，引入调节因子μ。
上述步骤3中节点参与簇头的选取，不能成为簇头的直接成为普通节点的步骤是：(a)传感器节点随机生成一个数，此数介于0到1之间；(b)将此生成的数与阈值门限比较，该阈值为
Figure 340176DEST_PATH_IMAGE011
若生成的随机数小于该阈值，其中
Figure 944464DEST_PATH_IMAGE012
为节点当选为簇头节点的概率，G是
Figure 960962DEST_PATH_IMAGE010
轮中没有当选为簇头节点的集合，r为当前轮数；(c)将传感器节点生出的数与该阈值门限比较，如果小于该门限，则该节点可以当选为簇头节点，成为簇头节点后以一定的功率广播信息，否则的话直接成为普通节点。
上述步骤4中，簇头节点之间相互通信的步骤是：(a)第i层同心圆的簇头以一定的功率寻找下一跳转发簇头节点的信息；(b)簇头节点收到寻找下一跳转发簇头节点的细信息以后，将发送寻找下一个转发簇头节点的簇头到Sink节点之间的距离与自己到Sink节点之间的距离作比较，若自己到Sink节点的距离比较近，则进入下一步骤；(c)该簇头节点首先判断自身能量是否能维持本簇内所有节点，若能量有剩余，则同意自身成为转发簇头节点；(d)在一定的时间内，若第i层同心圆内的簇头没有收到能够成为转发簇头节点的信息，则簇头节点加大功率来寻找下一跳转发簇头节点的信息，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)簇头节点广播的信息中携带了自己的位置信息以及广播自己成为簇头节点的信息。
上述步骤5中，普通节点根据信号的强弱选择加入相应的簇的步骤是：(a)非簇头节点接受簇头节点所广播的信息；(b)普通节点根据簇头节点所广播的信息确定自己与这些簇头节点之间的距离；(c)普通节点根据距离判断自己距离哪个簇头节点更近；(d)节点加入离自己最近的簇，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)构建信号传输模型。(b)节点将K bit数据传输距离d耗能为
Figure 898087DEST_PATH_IMAGE013
其中
Figure 653422DEST_PATH_IMAGE014
为节点信号发送数据所消耗的能量，为发送电路所消耗的能量，
Figure 689828DEST_PATH_IMAGE016
和
Figure 979995DEST_PATH_IMAGE017
表示放大器的系数，
Figure 299375DEST_PATH_IMAGE018
为临界距离，
Figure 674992DEST_PATH_IMAGE019
。(c)接收端接收K bit数据所消耗的能量为：
Figure 33293DEST_PATH_IMAGE020
。(d)数据融合阶段，所消耗的能量为
Figure 443545DEST_PATH_IMAGE021
。
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。
上述技术方案可以看出，由于本发明实施例采用引入节点密度函数以及能量剩余因子，因此能够避免在簇头选取的过程中，节点分布稀疏而且剩余能量很小的节点成为簇头。从而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。
附图说明
图1为本发明每轮的流程图。
具体实施方式
如图1所示，本发明是这样来实现的：
1、确定本节点与基站（即Sink点）之间的距离
这一过程的步骤是：(a)节点一旦部署，其位置便不再发生改变；Sink节点根据监测范围的大小选择合适的功率进行广播，确保监测范围内的所有节点都收到其广播的位置信息，广播信息里携带了Sink节点的位置以及以Sink节点为中心的一系列同心圆，靠近Sink节点的为最内层圆，依次往外推；(b)普通节点收到Sink节点的广播信息后，确定自己与Sink节点的距离以及所在同心圆的层数；(c)普通节点在确定其与Sink节点的距离以后，将此数据记录下来并保存。
2、         簇建立阶段
引入密度调节函数以及能量调节函数，使得簇头的选取更加合理的步骤是：(a)确定节点分布密集区域和节点分布稀疏区域；(b)定义节点密度函数为
Figure 727634DEST_PATH_IMAGE022
其中
Figure 590548DEST_PATH_IMAGE002
为节点邻居节点的数目，由定义可知，当邻居节点越多，
Figure 752539DEST_PATH_IMAGE003
就越接近1，因此该节点成为簇头的概率就越大。(c)定义能量调节函数
Figure 17298DEST_PATH_IMAGE023
，其中， 为节点i的当前的剩余能量，为节点当前具备的平均能量，由定义可知，节点的剩余能量越大，
Figure 802828DEST_PATH_IMAGE007
越大，节点成为簇头的概率也就越大。(d)确定簇头的阈值门限。将原来的阈值门限的改为
Figure 922094DEST_PATH_IMAGE026
其中
Figure 751247DEST_PATH_IMAGE009
表示在
Figure 588753DEST_PATH_IMAGE010
轮中未当选为簇头节点的集合。
Figure 92547DEST_PATH_IMAGE003
为节点密度因子，
Figure 567784DEST_PATH_IMAGE007
表示能量调节因子。为确保
Figure 193937DEST_PATH_IMAGE003
与
Figure 518740DEST_PATH_IMAGE007
之和小于1，引入调节因子μ。
 节点参与簇头的选取，不能成为簇头的直接成为普通节点的步骤是：(a)传感器节点随机生成一个数，此数介于0到1之间；(b)将此生成的数与阈值门限比较，该阈值为
Figure 560645DEST_PATH_IMAGE027
若生成的随机数小于该阈值，其中为节点成为簇头节点的概率，是
Figure 309661DEST_PATH_IMAGE010
轮中没有当选为簇头节点的集合，
Figure 859984DEST_PATH_IMAGE029
为当前轮数，为最佳簇头概率；(c)将传感器节点生出的数与该阈值门限比较，如果小于该门限，则该节点可以当选为簇头节点，成为簇头节点后以一定的功率广播信息，否则的话直接成为普通节点。
簇头节点之间相互通信的步骤是：(a)第i层同心圆的簇头以一定的功率寻找下一跳转发簇头节点的信息；(b)簇头节点收到寻找下一跳转发簇头节点的细信息以后，将发送寻找下一个转发簇头节点的簇头到Sink节点之间的距离与自己到Sink节点之间的距离作比较，若自己到Sink节点的距离比较近，则进入下一步骤；(c)该簇头节点首先判断自身能量是否能维持本簇内所有节点，若能量有剩余，则同意自身成为转发簇头节点；(d)在一定的时间内，若第i层同心圆内的簇头没有收到能够成为转发簇头节点的信息，则簇头节点加大功率来寻找下一跳转发簇头节点的信息，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)簇头节点广播的信息中携带了自己的位置信息以及广播自己成为簇头节点的信息。
普通节点根据信号的强弱选择加入相应的簇的步骤是：(a)非簇头节点接受簇头节点所广播的信息；(b)普通节点根据簇头节点所广播的信息确定自己与这些簇头节点之间的距离；(c)普通节点根据距离判断自己距离哪个簇头节点更近；(d)节点加入离自己最近的簇，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)构建信道损耗模型。(b)节点将K bit数据传输距离d耗能为
Figure 713988DEST_PATH_IMAGE013
其中
Figure 184021DEST_PATH_IMAGE014
为节点信号发送数据所消耗的能量，
Figure 567729DEST_PATH_IMAGE015
为发送电路所消耗的能量，
Figure 636179DEST_PATH_IMAGE016
和
Figure 214185DEST_PATH_IMAGE017
表示放大器的系数，
Figure 735296DEST_PATH_IMAGE018
为临界距离，
Figure 922695DEST_PATH_IMAGE019
。(c)接收端接收K bit数据所消耗的能量为：。(d)数据融合阶段，所消耗的能量为
Figure 529311DEST_PATH_IMAGE021
。

Claims (9)

1.一种采用分层的无线传感网路由方法，其特征在于它包括：
1)确定本节点与基站之间的距离；
2)引入节点密度调节函数以及能量调节因子，使得节点的选取更加的合理；
3)节点参与簇头的选取，不能成为簇头节点的直接成为普通节点；
4)簇头节点之间的相互通信；
5)普通节点根据信号的强弱选择加入相应的簇；
6)簇头节点安排时隙给本簇的节点；
7)稳定传输数据阶段；
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，确定本节点与基站之间的距离步骤是：(a)节点一旦部署，其位置便不再发生改变；Sink节点根据监测范围的大小选择合适的功率进行广播，确保监测范围内的所有节点都收到其广播的位置信息，广播信息里携带了Sink节点的位置以及以Sink节点为中心的一系列同心圆，靠近Sink节点的为最内层圆，依次往外推；(b)普通节点收到Sink节点的广播信息后，确定自己与Sink节点的距离以及所在同心圆的层数；(c)普通节点在确定其与Sink节点的距离以后，将此数据记录下来并保存。
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，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，引入密度调节函数以及能量调节函数，使得簇头的选取更加合理的步骤是：(a)确定节点分布密集区域和节点分布稀疏区域；(b)定义节点密度函数为
Figure 65673DEST_PATH_IMAGE001
其中 Nodeneighbor为节点邻居节点的数目，由定义可知，当邻居节点越多，
Figure 932129DEST_PATH_IMAGE002
就越接近1，因此该节点成为簇头的概率就越大，(c)定义能量调节函数
Figure 211057DEST_PATH_IMAGE003
，其中，
Figure 691717DEST_PATH_IMAGE004
 为节点i的当前能量，
Figure 921841DEST_PATH_IMAGE005
为节点当前具备的平均能量，由定义可知，节点的剩余能量越大，
Figure 716621DEST_PATH_IMAGE006
越大，节点成为簇头的概率也就越大，(d)确定簇头的阈值门限，将原来的阈值门限的改为
Figure 784809DEST_PATH_IMAGE007
其中
Figure 374054DEST_PATH_IMAGE008
表示节点当选为簇头节点的概率，
Figure 357053DEST_PATH_IMAGE009
表示在
Figure 689945DEST_PATH_IMAGE010
轮中未当选为簇头节点的集合，
Figure 677886DEST_PATH_IMAGE002
为节点密度因子，
Figure 765928DEST_PATH_IMAGE006
表示能量调节因子，为确保与之和小于1，引入调节因子μ。
4.节点参与簇头的选取，不能成为簇头的直接成为普通节点的步骤是：(a)传感器节点随机生成一个数，此数介于0到1之间；(b)将此生成的数与阈值门限比较，该阈值为
Figure 448210DEST_PATH_IMAGE011
若生成的随机数小于该阈值，其中为节点当选为簇头节点的概率，G是
Figure 632122DEST_PATH_IMAGE010
轮中没有当选为簇头节点的集合，r为当前轮数；(c)将传感器节点生出的数与该阈值门限比较，如果小于该门限，则该节点可以当选为簇头节点，成为簇头节点后以一定的功率广播信息，否则的话直接成为普通节点。
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，簇头节点之间相互通信的步骤是：(a)第i层同心圆的簇头以一定的功率寻找下一跳转发簇头节点的信息；(b)簇头节点收到寻找下一跳转发簇头节点的细信息以后，将发送寻找下一个转发簇头节点的簇头到Sink节点之间的距离与自己到Sink节点之间的距离作比较，若自己到Sink节点的距离比较近，则进入下一步骤；(c)该簇头节点首先判断自身能量是否能维持本簇内所有节点，若能量有剩余，则同意自身成为转发簇头节点；(d)在一定的时间内，若第i层同心圆内的簇头没有收到能够成为转发簇头节点的信息，则簇头节点加大功率来寻找下一跳转发簇头节点的信息，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)簇头节点广播的信息中携带了自己的位置信息以及广播自己成为簇头节点的信息。
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，普通节点根据信号的强弱选择加入相应的簇的步骤是：(a)非簇头节点接受簇头节点所广播的信息；(b)普通节点根据簇头节点所广播的信息确定自己与这些簇头节点之间的距离；(c)普通节点根据距离判断自己距离哪个簇头节点更近；(d)节点加入离自己最近的簇，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)构建信号传输模型，(b)节点将K bit数据传输距离d耗能为
Figure 572396DEST_PATH_IMAGE012
其中为节点信号发送数据所消耗的能量，
Figure 197729DEST_PATH_IMAGE014
为发送电路所消耗的能量，
Figure 377038DEST_PATH_IMAGE015
和
Figure 282853DEST_PATH_IMAGE016
表示放大器的系数，
Figure 598428DEST_PATH_IMAGE017
为临界距离，，(c)接收端接收K bit数据所消耗的能量为：
Figure 36417DEST_PATH_IMAGE019
，(d)数据融合阶段，所消耗的能量为
Figure 318494DEST_PATH_IMAGE020
。
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，直到所有节点能量耗尽。
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