CN103281741A - 一种基于六边形区域划分的无线传感器网络分簇路由方法 - Google Patents

Abstract

一种基于六边形区域划分的无线传感器网络分簇路由方法，从位于传感区域中心的Sink节点出发的六条线段（基线）将传感区域划分为6个扇形区域，每两条相邻基线的夹角为60度；传感区域由六边形网格密铺，传感器节点根据对自身位置信息的感知，获取经纬度信息，计算其位置与最近基线的距离，以发现其所在的六边形区域是否处于基线上，若处于基线上，则在簇头选举后，被选举为簇头的节点将变为汇集点；簇头选举和数据在簇头和汇集点间的多跳中继传输；无线传感网从启动到数据采集的流程，分为簇头选举和簇内单跳传输过程，簇头和汇集点之间的簇间路由两个阶段；本发明避免了簇头间过长的传输距离所引起的簇间路由能耗过大的问题，大大节省了网络进行数据收集时的能耗。

Description

一种基于六边形区域划分的无线传感器网络分簇路由方法

技术领域

本发明申请涉及基于网格分簇的无线传感器网络的高效路由方法，尤其涉及根据节点角色进行的路由方法。本发明有助于提高无线传感器网络路由效率的同时，节点的能耗更有规律，可以在无线传感器节点间根据角色进行按比例地能量消耗，而且网络的总能耗更低，解决了一般无线传感器网络节点间能耗不均，生命周期短的问题。本发明相较于一般无线传感器网络易于维护，且管理开销少。属于网络通信技术领域。

背景技术

基于分簇的路由方法已经成为在无线传感器网络中最有效的数据收集手段之一。这是因为将无线传感器网络的传感器节点分簇后，能够有效地组织网络拓扑，采用多跳传输的方式来进行通讯，减少长距离的传输，尽量减少能源消耗，进而延长网络生命期。在现有的分簇方法中，可以根据簇头的选择范围以及选择方式大致分成两大类。

第一类是在整个传感区域中按照某种概率随机地选取若干簇头，而普通节点加入某个簇后，进而将传感区域划分为由各簇所代表的若干区域。其中比较具有代表性的是LEACH方法和HEED方法。LEACH方法保证某个节点当选为簇头后，在若干时间内均不能再参与簇头的竞争，使得簇头得以在不同的传感器节点之间进行轮换，但是LEACH方法不能保证簇头在网络中均匀分布。而且，原始的LEACH方法是直接通过单跳将簇头数据传送给Sink节点，这导致了长距离的传输。虽然在很多改进的LEACH方法中，采用了簇头多跳的形式将数据传送给Sink节点，但由于簇头选择的随机性，簇头通常远离于彼此和Sink节点，这同样导致了长距离的传输。而在HEED方法中，传感器节点会根据某个与其剩余能量相关的概率分布式地竞争簇头，并在竞争过程中通过一系列手段，使得簇头能够比较均匀地分布在传感区域中，但是HEED方法仍可能使得簇头与基站之间距离很远，造成长距离的无线传输。而且，在LEACH方法和HEED方法中，节点和簇头间的簇内传输可能需要进行多跳中继，这就需要消耗更多的能量

第二类分簇方法则将传感区域先根据某种规则划分为若干区域，再在每个区域中选择对应区域的簇头，而其余节点则成为该簇的成员。具体而言，这种基于网格的分簇方法会将网络划分成等面积的网格，从而使得拓扑易于管理并且可以减少管理开销，簇头也能够比较均匀地分布，并且可以在一定程度上控制节点间的传输距离。目前已有的基于网格的路由机制，如Diagonal-First和Manhattan Walk等都是基于矩形或正方形的四边形分簇方法。但是，根据实际应用情况而言，基于六边形区域划分的蜂窝网形式的分簇方法更具有实际意义。

此外，目前已知的以上两类分簇方法，都由于空间位置、感测的频率的不同而难以平衡能量消耗，导致节点间能耗不均、节点能耗难以预计的问题。这会对无线传感器网络的能量补充带来巨大的复杂性，因此网络的维护成本巨大。同时由于长距离的传输，无线传感网的能耗过大。

发明内容

为了解决以上问题，提出一种基于六边形区域划分的无线传感器网络分簇路由方法。在本发明中，通过六边形区域划分，簇头节点均匀分布，数据会通过多跳短距离中继的方式发送到Sink节点。我们有规律地为传感器节点分配不同的角色，网络负载根据角色的不同而不同，因此网络节点间可以均匀地、按比例地、有规律地进行能耗，使得对无线传感器网络的能量补充存在可能。同时，簇头合理分布，避免了长距离的传输，有效降低无线传感网的总能耗。此外，传感器节点会根据自身的剩余能量在六边形区域范围内分布式地竞争簇头，可以有效延长网络的生命期。

为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案是：一种基于六边形区域划分的无线传感网络。我们将无线传感网络视为一个无障碍的方形传感区域，并将其用六边形区域划分（图1），以蜂窝网的呈现。在本发明中，我们首先假设每个传感器节点都带有唯一编号，且拥有GPS模块或其他定位技术，能获取其自身的位置信息。

六边形区域划分：位于传感区域中的Sink节点可以不限于区域的正中心，区域的划分将从Sink节点出发的六条基线平均划分为6个扇形区域，每两条相邻基线的夹角为60度（图1）。这些区域按逆时针分别为Sect_i,i＝1,...,5。

传感区域由大量传感器节点组成，每个节点为S_i。

六边形区域的标示：从Sink节点向外，有M个六边形环。位于从内向外第一层六边形环上的六边形区域（簇），距离Sink节点为单跳，第二层则为2跳，第M层则为距离Sink节点最远的一层。我们将第i个环称为L_i，而L_i(k)则表示L_i层上的第k个六边形，k＝0,...,6i-1。我们以单位六边形(a＝1)为例，覆盖感测区域。坐标轴原点(0,0)是L₀六边形的正中心。扇形区域(Sect_γ)的编号为

且区域γ(Sect_γ)中六边形数为δ＝(kmodi)，位置系数为η＝(-1)^γi＞0。

传感节点的组成：每一个六边形中，都有一个传感器节点被选举为簇头，如

表示第i层环上，第k个六边形的簇头。Sink节点则为

位于基线上的六边形区域的簇头，我们称之为汇集点，与簇头类似，用表示。我们以区域0(Sect₀)为例，如图2。

节点的最大传输距离：r为处在同一个六边形区域（簇）中的任意两个节点间的传输范围，R为相邻六边形的簇头间的传输范围。为了保障簇内通信的进行，每个六边形的边长是a＝2r。同时，为了确保在六边形分簇路由中的多跳数据传输的进行，相邻六边形的簇头之间应该能够互相通信。如图3，两个相邻六边形之间最远的距离是AC＝R，因此，每个簇头的传输距离应该是：

本发明中分簇路由的运行可以分为两个阶段：

阶段I：簇头选举和簇内单跳传输（簇头选举中节点的状态转移参见图4）。

I-1：初始状态下，六边形区域中的每个传感节点都将自己视为簇头。

I-2：每个传感节点将自己所剩余的电量通过选举数据帧（图6-a）广播发送给同簇内的其他传感节点。

I-3：当传感节点收到一个比自己能量更高的广播，它会将自己标记为常规节点；当传感节点没有收到比自己能量更高的广播，则该传感节点将成为簇头，并再次执行选举过程。

I-4：簇头选举结束后，簇头将提高自己的传输功率（簇间通信），并将发送簇头声明帧（图6-b），发送给相邻的六边形，同时，簇内每个传感节点可以通过单跳传输直接将感测数据封装成簇内数据帧（图6-c）传输给簇头。

I-5：簇头根据GPS等设备获取位置信息，处在基线上的簇头自动升级为汇集点。

I-6：一段时间后（如5～10分钟），簇头传输功率降低（簇内通信），重新进行簇头选举。

阶段II：进行簇头和汇集点之间的簇间路由。

II-1：感测数据在第i层环的逆时针第k个六边形L_i(k)中的某个传感节点上生成。

II-2：传感节点将数据通过簇内数据帧（图6-c）发送到簇头

II-3：簇头

将数据通过簇间数据帧（图6-d）传给更内一层环中的邻近簇头

若一定时间（10～20秒）内未收到簇间普通响应帧（图6-e），则视为正在选举簇头而繁忙，待收到该六边形的簇头声明帧（图6-b）后重发数据，其中m按以下情况取值：

若当前簇头节点处在第一层六边形环上（如图2，L₀,L₁,L₂分别表示第零层、第一层以及第二层，Sink节点位于第零层），则m←0；

若当前簇头节点处在第二层或更高层六边形环上，且k（簇头结点处在该层第k个六边形内）是i（簇头节点所在六边形处在第i层环）的整数倍，则令

若当前簇头节点处在第二层或更高层六边形环上，但k不是i的整数倍，取余数δ←(kmodi)，则

II-4：重复步骤II-3，直到数据到达汇集点

II-5：汇集点将数据通过簇间数据帧（图6-d）沿着基线向Sink节点方向传输，传给内环的邻近汇集点

同II-3，若一定时间内未收到簇间普通响应帧（图6-e），则在收到该六边形的簇头声明帧（图6-b）后重发数据；

II-6：重复II-5，直到数据到达Sink节点。

能量消耗

我们首先假设传感器节点在传感区域是随机均匀分布的，且在每轮中每个六边形区域（簇）产生的感测数据量为q。根据我们提出的基于六边形区域覆盖的快速多跳路由方法（如图2），数据向处在扇形区域边缘的汇集点以最少的跳数中继，例如，

上的数据被中继到

考虑到方形感测区域的边界效应，可以推导出由

中继的数据量如下：

当

不是汇集点，

$Q\left(H_{L_i\left(k\right)}\right)=\left\{\begin{array}{cc}(M-i+1)q& \mathrm{\γ}=1\mathrm{or}4\\ (M-i+1)q+\frac{\mathrm{\δ}+1}{2}q& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.....\left(2\right)$

当

是汇集点，

$Q\left(C_{L_i\left(k\right)}\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{2}(M-i+1)(M-i+2)q& \mathrm{\γ}=1\mathrm{or}4\\ \frac{3}{4}(M-i+1)(M-i+2)q& \mathrm{otherwise}\end{array}\right....\left(3\right)$

其中，0≤i≤M且0≤k≤(6i-1)。

每个节点能量的消耗可主要分为两部分：传输数据消耗E_tx和接收数据消耗E_rx。以传感器节点s_i为例，其传输数据消耗为E_tx＝Q(si)·(E_elec+εd^λ)，d为s_i与其他通信节点之间的距离，λ表示路径损耗指数(λ≥2)。可以计算出：

$E_{\mathrm{tx}}=\left\{\begin{array}{cc}Q\left(s_i\right)\·(E_{\mathrm{elec}}+\∈F_{\mathrm{riis}}{d}^2)& d\≤d_o\\ Q\left(s_i\right)\·(E_{\mathrm{elec}}+{\∈}_{\mathrm{two}-\mathrm{ray}}{d}^4)& d\≤d_o\end{array}\right.$

传输设备的单位比特能量消耗为Eelec＝50nJ/bit，系数∈F_riis＝10pJ/bit/m²，∈_two-ray＝0.0013pJ/bit/m⁴，距离阈值d_o＝75m。同理，数据接收消耗为E_rx＝Q(s_i)·E_elec。由此，我们可以分别计算出簇头与汇集点的能量消耗。

无线传感器网络中，分簇多跳路由方案以其部署简单和实施方便的特点，受到了众多的关注，被广泛应用于无线传感器网络数据收集中。本发明针对现有的分簇路由中存在的能量消耗过快，以及对节点能量消耗不均匀等问题，提出一种基于六边形区域覆盖的快速多跳路由方法。该方法将整个传感区域划分为多个更小的六边形区域（两个相邻的六边形区域共享一条边）。该路由方法分为两个阶段：1）在每个六边形区域内，各传感器节点根据其地理位置信息决定其从属的六边形区域，采用分布式的簇头选举方法，进行簇头选举后，确定各六边形区域（簇）中的簇头节点，多跳传输的第一步便是将各传感器节点将其数据传输到其簇头节点；2）然后各簇头节点将数据沿着汇聚点（Sink节点）的方向，依靠各六边形区域中的簇头节点中继传输，直到数据传输到汇聚点。因此，该方法在网络中实施的初始化时间较短，在数据的分簇路由过程中，传感器节点被分配以不同的角色（包括：簇头、汇聚点和普通节点）。根据分配角色的不同，数据流负载被按比例地分配到各个节点，各节点的能量得以按比例的消耗。同时，避免了簇头间过长的传输距离所引起的簇间路由能耗过大的问题，大大节省了网络进行数据收集时的能耗。

本发明的有益效果是：本发明提出的基于六边形区域覆盖的快速多跳路由方法，采用分布式簇头选举，可大大减少无线传感网初始化的时间；

1)本发明簇头选举时，根据剩余能量选择最优簇头，且每隔一段时间重新进行簇头选举，可延长无线传感网的生命周期；

2)本发明将负载主要分配于簇头与汇集点，使得各节点根据角色的不同拥有不同比例的能量消耗率，且能量消耗率可量化，大大简化了后续充电方案的设计和部署；

3)通过大量的模拟研究发现，本发明比目前已知的最优分簇路由方法拥有更低的总能量消耗率。模拟中，在一个布置在500m*500m的传感区域中，传感器节点的位置服从二维均匀分布的无线传感器网络，同时每个传感器在每个时间片生成1KB的数据对于每组数据，将随机生成1000个不同的拓扑后取平均后计算而来，传感器节点的数目将根据不同实验的需要从100至1000进行设置。就LEACH方法而言，簇头数设置为传感器总数的5%，而HEED方法方面，也将其参数C_prob设置为5%，并且假定传感器节点满足HEED方法中节点具有多种发射功率的假设，其最大通信半径为100米。最后，在网络开始运行时每个节点的能量均为5J。取六边形网格的边长为40米。与预期的一样，从图5中可以看出本发明和HEED方法所消耗的能量均比LEACH方法要少，而且本发明在平均能耗方面还比HEED方法节省百分之三十到四十左右的能量。

附图说明

图1是本发明的六边形区域划分示意图；

图2是以扇区Sect₀为例的分簇和路由示意图；

图3是簇间传输距离和六边形网格边长的比较图；

图4是簇头选举时的节点状态转换示意图；图4中P1表示收到更高的能量广播，P2表示未收到簇头能量广播；

图5是本发明(图中为HC方法)、HEED方法以及LEACH方法在网络能耗与网络节点数间的关系对比图。

图6是本发明无线传感器通信所用的帧。图6中a:（簇内）选举数据帧、b:（簇间）簇头声明帧、c:（簇内）数据帧、d:（簇间）数据帧、e:（簇间）普通响应帧。

具体实施方式

图1描述了Sink节点位于网络中心时的场景。传感节点以均匀概率分布在网络中，具体实施方式如下：

1)初始时，传感器网络的基本参数如下：

传感器网络大小为500米*500米

无线传感器节点数量为1000个

Sink节点位于坐标(250,250)

六边形网格的边长为40米

无线传感器节点的簇内最大传输距离为80米

无线传感器节点的簇间最大传输距离为144米

2)传感区域被从Sink节点出发的六条基线划分成六个主要的“扇区”，任意两条相邻的基线所形成的夹角均为60度，整个区域用六边形区域划分（图1）。每个无线传感器节点可获取自身编号，且都带有GPS等设备获取位置信息，可以获取自己所处层数i、六边形区域序号k以及该六边形是否位于基线等数据。

3)进行分布式簇头选举和簇内单跳传输阶段。在簇头选举时，处于六边形簇内的节点将自身剩余能量封装成选举数据帧（图6），以通信半径为80米，广播给同簇内的其余节点，其中选举数据帧第1个字节表示帧类型，接着各用两个字节表示层号i以及当前六边形区域在层内的序号k，再接着用两个字节表示源节点编号，用4个字节表示该节点剩余能量。簇头选举成功后，簇头提高传输功率，使通信半径提高为144米，根据获取的GPS信息，处在基线上的六边形区域的簇头自动升级为汇集点。同时，簇头向邻近六边形发送簇头声明帧（图6），其中簇头声明帧第1个字节表示帧类型，接着各用两个字节表示层号i以及当前六边形区域在层内的序号k，再接着用两个字节表示源节点编号。簇头选举结束后，簇内普通节点若生成数据，将数据封装成簇内数据帧（图6）发送给簇头，其中簇内数据帧第1个字节表示帧类型，接着两个字节表示源节点编号，接着用2～1017个字节容纳数据。

4)进行簇头→汇集点的多跳传输。簇头接收到簇内节点发送的数据后，重新封装成簇间数据帧（图6）发送给下一簇头，其中簇间数据帧第1个字节表示帧类型，接着各用两个字节表示层号i以及当前六边形区域在层内的序号k，再接着用两个字节表示源节点编号，最后，用2～1017个字节容纳数据。簇头接收到一个簇间数据帧后，将计算对比数据帧携带的层数i及六边形序号k是否是路由的上一簇，若为上一簇，则接收数据，并发送簇间普通响应帧，其中簇间普通响应帧第1个字节表示帧类型，接着各用两个字节表示层号i以及当前六边形区域在层内的序号k，再接着用两个字节表示源节点编号，最后，用两个字节表示目的节点编号。

5)进行汇集点→Sink节点的多跳传输。簇头接收到上一簇发送的簇间数据帧后，若该簇头为汇集点，则将该数据同样通过簇间数据帧向内层发送给下一汇集点。

6)每5分钟，簇头降低传输功率，使通信半径变为80米，重新进行一次分布式簇头选举。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (2)

1.一种基于六边形区域划分的无线传感器网络分簇路由方法，其特征是从位于传感区域中心的Sink节点出发的六条线段（基线）将传感区域划分为6个扇形区域，每两条相邻基线的夹角为60度；

传感区域由六边形网格密铺，

传感器节点根据对自身位置信息的感知，获取经纬度信息，计算其位置与最近基线的距离，以发现其所在的六边形区域是否处于基线上，若处于基线上，则在簇头选举后，被选举为簇头的节点将变为汇集点；簇头选举和数据在簇头和汇集点间的多跳中继传输；

无线传感网从启动到数据采集的流程，分为簇头选举和簇内单跳传输过程，簇头和汇集点之间的簇间路由两个阶段；

阶段I是该阶段中簇头选举和簇内单跳传输过程，其步骤是：

I-1：初始状态下，六边形区域中的每个传感节点都将自己视为簇头；

I-2：每个传感节点将自己所剩余的电量通过选举数据帧广播发送给同簇内的其他传感节点；

I-3：当传感节点收到一个比自己能量更高的广播，它会将自己标记为常规节点；当传感节点没有收到比自己能量更高的广播，则该传感节点将成为簇头，并再次执行选举过程；

I-4：簇头选举结束后，簇头将提高自己的簇间通信传输功率，并将发送簇头声明帧，发送给相邻的六边形；

I-5：阶段II，簇内每个传感节点通过单跳传输直接将感测数据封装成簇内数据帧传输给簇头；簇头根据GPS等设备获取位置信息，处在基线上的簇头自动升级为汇集点；

I-6：一段时间后（如5～10分钟），簇头传输即簇内通信功率降低，重新进行簇头选举。

2.根据权利要求1所述的基于六边形区域划分的无线传感器网络分簇路由方法，其特征是阶段II数据在簇头和汇集点之间的簇间路由步骤：

II-1：感测数据在第i层环的逆时针第k个六边形L_i(k)中的某个传感节点上生成；

II-2：传感节点将感测数据通过簇内数据帧发送到簇内簇头

II-3：簇头

将数据通过簇间数据帧传给更内一层环中的簇间邻近簇头

若一定时间（10～20秒）内未收到簇间普通响应帧，则视为簇间正在选举簇头而繁忙，；待收到簇间六边形的簇头声明帧后重发数据，其中m按以下情况取值：

若当前簇内簇头节点处在第一层六边形环上，L₀,L₁,L₂分别表示第零层、第一层以及第二层，Sink节点位于第零层，则m←0；

若当前簇内簇头节点处在第二层或更高层六边形环上，簇头结点处在该层第k个六边形内，且k是i的整数倍，簇头节点所在六边形处在第i层环，则令

若当前簇内簇头节点处在第二层或更高层六边形环上，但k不是i的整数倍，取余数δ←(k mod i)，则

II-4：重复步骤II-3，直到数据到达汇集点

II-5：汇集点将数据通过簇间数据帧沿着基线向Sink节点方向传输，传给内环的邻近汇集点同II-3，若一定时间内未收到簇间普通响应帧，则在收到该六边形的簇头声明帧后重发数据；

II-6：重复II-5，直到数据到达Sink节点。

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