CN103237334B - 一种基于巷道环境的无线传感器网络分簇路由方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及无线传感器的路由协议，具体为一种基于巷道环境的无线传感器网络分簇路由方法，包括以下步骤：通过簇头阈值，选取簇头；计算成簇半径，并且簇头根据成簇半径广播成簇信息，等待簇成员加入；簇成员广播自身信息；簇内根据贪婪算法形成两个小链，向簇头传输信息；簇头间形成多跳传输，向基站传输数据。本发明通过改进簇头的选择方式，加入能量因子和巷道影响因素，改变了簇头选取阈值，使网络能耗均匀，提高稳定性。设定了成簇半径，使距离基站较近的簇成簇半径较小，并且加入巷道倾角因素，减少基站附近死亡节点数。簇头间数据传输采取多跳的方式进行传输，使能量消耗均匀，极其适应巷道环境。

Description

一种基于巷道环境的无线传感器网络分簇路由方法
技术领域
本发明涉及无线通信领域，尤其涉及无线传感器的路由协议，具体为一种基于巷道环境的无线传感器网络分簇路由方法。
背景技术
无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)不需要固定网络结构，就可以进行无线通信，具有自由组网、抗损毁性能强等特性，因此，较适合应用于矿井巷道中进行无线通信。路由协议为无线传感器网络的核心内容，通过路由协议可以传输信息，路由协议对整个网络的能耗和稳定性起到了至关重要的作用，目前经典层次型路由协议包括：LEACH协议、PEGASIS协议、TEEN协议等；井下信道衰减对信息的稳定传输影响也很大，有多种信号衰落模型，如多径衰落，阴影衰落等等，无线传感器中的发送模块能耗模型为：
ET=ET×Efs+Efs×dλ=Eelec×k+Efs×k×d2  d≤d0
ET=ET×Efs+Efs×dλ=Eelec×k+Eamp×k×d4  d＞d0
无线传感器中的接收模块所消耗能量的数学模型为：ER=Eele×k，k为数据量值参数，d为数据传输的距离，d0为距离参数，Eelec为发送1bit数据的消耗，Eele为接收1bit数据的消耗，无线通信存在远距离传送数据，因此数据传送模式分为自由空间模型和多径衰落模型，当d≤d0采取自由空间模型，同时Efs为自由空间衰减放大器的能量消耗模型参数，当d＞d0采取多径衰落模型，Eamp为多径衰落放大器的能量消耗模型参数，由发送模块的能耗模型看出，数据传送模式不同，发送模块的能耗差别很大，因此，井下无线通信模型是建立设定网络协议重要的参考技术。煤矿井下环境复杂，而且巷道一般为长带状分布，数据一般从巷道深处向巷道口基站汇聚，按照现有的路由协议传输的数据流向如图1所示，巷道中各个区域中的簇头分别向巷道口基站发送数据，数据在传输路径上就会出现“棒状”情况，且在基站处出现“热区”问题，造成了无线传感器网络工作不稳定，距离基站较远的簇头能量消耗大，造成节点耗能不均的问题；而巷道其他因素也会对数据传输产生影响，如巷道壁粗糙度，巷道壁倾角等，巷道壁粗糙度能耗模型为：，巷道倾斜角能耗模型为：，其中a、b分别为巷道的长和宽，δ为巷道壁粗糙度的均方根值（不同巷道取值不同），λ为发射信号的波长，θ为巷道壁倾角，因此要想数据顺利的传送到基站或者接收节点，发送模块必须提高发送信息所消耗的能量，其整体的能量消耗应为：E=ET+Ecc+Eqx，但是现有的路由协议没有考虑到，因此无线传感器网络中出现死亡节点的时间加快，整个网络的使用寿命缩短。
发明内容
本发明为了解决井下节点能耗大，整个网络工作不稳定、使用寿命短的问题，提供了一种基于巷道环境的无线传感器网络分簇路由方法。
本发明是采用如下的技术方案实现的：一种基于巷道环境的无线传感器网络分簇路由方法，包括以下步骤：
设簇头阈值，选取所产生的随机数X<T(n)的节点为簇头，式中romd为轮数，为循环中当选过簇头的节点个数，为簇头节点在所有节点中的比例，Ec为网络中节点剩余能量，Estrat为网络中节点初始能量，δ为巷道壁粗糙度的均方根值；
设簇头的成簇半径，簇头在成簇半径内广播成簇信息，等待簇成员的加入，式中θ为巷道壁倾角，θ∈(0°,90°)，dmax为网络中节点到基站的最大距离，dmin为网络中节点到基站的最小距离，di表示簇头到基站距离，Rc为常系数；
节点接收到成簇信息，然后根据接收到的簇头信息的强度选择离自己距离最近的簇头作为自己的簇头，簇建立完成；
簇内节点分别向簇头传输信息；
簇头选择权值大于自己且离自身最近的靠近基站的簇头作为父亲节点，各个簇头将信息传输给自己的父亲节点，形成簇头间多跳将信息传输到基站。
本发明在设定簇头阈值T(n)时考虑了巷道壁的粗糙度，将巷道壁粗糙度的均方根值δ加入到簇头阈值T(n)的公式中，从公式中可看出，δ越大，簇头阈值T(n)越小，成为簇头的节点少，网络中数据传输效率高，整个网络的能耗小；在设定簇头的成簇半径Ri时考虑了巷道壁倾角θ，由成簇半径Ri的公式中看出，θ越大，成簇半径越小，因为θ越大，数据传输的消耗就越大，若成簇半径大，簇内节点传输的数据可能因为衰减而无法有效的传输，所以θ越大，成簇半径越小，成簇半径Ri还和di关联，从公式中可看出di越小，簇头成簇半径也越小，因为靠近基站的簇头传输的数据量大，成簇半径小的话簇内能量的消耗小，能保证接受和传递其他簇头传递的数据；簇头选择父亲节点并将数据传输给父亲节点，形成簇头间多跳，将数据传递给基站，降低了距离基站较远的簇头传输数据的能耗。本发明规定簇头的选择方法和成簇半径时考虑了巷道壁粗糙度和巷道壁倾角，并将巷道壁粗糙度和巷道壁倾角具体到公式中，为此研究人员付出了创造性劳动，最后还规定了簇头间以多跳传输数据，降低了距离基站较远的簇头传输数据的能耗。
随机数X为节点时间上周期性产生的参数，由节点执行内部自带的程序产生，为本领域的技术人员熟知的参数，Rc根据无线传感器的型号在1到3之间取值；簇头阈值T(n)和成簇半径Ri是研究人员根据能耗模型，再参考经典的路由协议经过大量的演算得出，经过仿真验证了正确性。
上述的一种基于巷道环境的无线传感器网络分簇路由方法，簇内节点根据贪婪算法形成信息传输小链，簇内节点通过小链向簇头传输信息，贪婪算法即簇内节点选择相邻的节点为自己的信息接收节点，依次形成信息传输小链，再由每个小链的最后一个节点将信息传输给簇头，这样簇头的能耗模型为: Ec=m×k×(Eelec+Ed)，而经典的路由协议簇头的能耗模型为Eleach=(n-1)×k×(Eelec+Ed)，m为簇内形成的链数，Ed为簇头融合1bit数据据所消耗的能量，两种能耗模型之差ΔE=Elach-Ec=(n-1-m)×k×(Eelec+Ed)，因为n-1＞m，所以ΔE为正，因此在簇内形成信息传输小链能降低簇头的能耗，也使得簇内节点能耗均匀。
本发明通过改进簇头的选择方式，加入能量因子和巷道影响因素，改变了簇头选取的阈值，使网络能耗均匀，并且适应巷道环境，提高稳定性；改变成簇半径，使距离基站较近的簇成簇半径较小，并且加入巷道倾角因素，使得死亡节点分布均匀，减少基站附近死亡节点数。由于巷道为长直带状分布，距离巷道口远的簇头明显要比距离巷道口近的耗费能量，因此设计簇头间数据传输采取多跳的方式进行传输，使能量消耗均匀，并且簇内各个节点采用成链的方式向簇头传输数据，大大降低了能耗，并且极其适应巷道环境。
附图说明
图1为采用现有的网络协议的传感器网络数据流向图。
图2为本发明的数据流向图。
图3为本发明的流程图。
具体实施方式
一种基于巷道环境的无线传感器网络分簇路由方法，包括以下步骤：
设簇头阈值，选取所产生的随机数X<T(n)的节点为簇头，式中romd为轮数， 为循环中当选过簇头的节点个数，为簇头节点在所有节点中的比例，Ec为网络中节点剩余能量，Estrat为网络中节点初始能量，δ为巷道壁粗糙度的均方根值；
设簇头的成簇半径，簇头在成簇半径内广播成簇信息，等待簇成员的加入，式中θ为巷道壁倾角，θ∈(0°,90°)，dmax为网络中节点到基站的最大距离，dmin为网络中节点到基站的最小距离，di表示簇头到基站距离，Rc为常系数；
节点接收到成簇信息，然后根据接收到的簇头信息的强度选择离自己距离最近的簇头作为自己的簇头，簇建立完成；
簇内节点分别向簇头传输信息；
簇头选择权值大于自己且离自身最近的靠近基站的簇头作为父亲节点，各个簇头将信息传输给自己的父亲节点，形成簇头间多跳将信息传输到基站。
上述的一种基于巷道环境的无线传感器网络分簇路由方法，簇内节点根据贪婪算法形成信息传输小链，簇内节点通过小链向簇头传输信息。
具体实施时，簇头选举开始时，网络中的节点产生随机数X，节点产生的随机数X和簇头阈值T(n)比较，随机数X小于簇头阈值T(n)的节点在设定的成簇半径Ri内广播成簇信息，告知周围节点自己为簇头并广播自身ID和权值，同时建立3个集合cluster_choices、cluster_M和cluster_Dist，这3个集合分别存放其他簇头ID，其他簇头的权值和其他簇头到本簇头的距离，之后等待普通节点发送join信息，普通节点根据成簇半径Ri计算自身位置，即根据接收簇头信号的强度和ID选择离自己距离较近的簇头发送 Node_massege信息和join信息要求加入该簇，簇建立完成，簇内根据贪婪算法形成信息传输小链，簇内节点通过小链向簇头传输信息，簇头再根据自身中存储的其他簇头的权值和与本簇头的距离选择权值大于自己且离自身最近的簇头作为父亲节点，发送信息的时候将信息直接发送给父亲节点，这样形成簇头间多跳将信息传输到基站。

Claims (2)

1.一种基于巷道环境的无线传感器网络分簇路由方法，其特征在于包括以下步骤：
设簇头阈值，选取所产生的随机数X<T(n)的节点为簇头，式中romd为轮数， 为循环中当选过簇头的节点个数，为簇头节点在所有节点中的比例，Ec为网络中节点剩余能量，Estrat为网络中节点初始能量，δ为巷道壁粗糙度的均方根值；
设簇头的成簇半径，簇头在成簇半径内广播成簇信息，等待簇成员的加入，式中θ为巷道壁倾角，θ∈(0°,90°)，dmax为网络中节点到基站的最大距离，dmin为网络中节点到基站的最小距离，di表示簇头到基站距离，Rc为常系数；
节点接收到成簇信息，然后根据接收到的簇头信息的强度选择离自己距离最近的簇头作为自己的簇头，簇建立完成；
簇内节点分别向簇头传输信息；
簇头选择权值大于自己且离自身最近的靠近基站的簇头作为父亲节点，各个簇头将信息传输给自己的父亲节点，形成簇头间多跳将信息传输到基站。
2.根据权利要求1所述的一种基于巷道环境的无线传感器网络分簇路由方法，其特征在于簇内节点根据贪婪算法形成信息传输小链，簇内节点通过小链向簇头传输信息。
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