CN103298054A - 一种基于节点深度的无线传感器网络分簇路由协议 - Google Patents

Abstract

一种基于节点深度的无线传感器网络分簇路由协议，本发明在簇头选择算法中考虑了邻居节点的剩余能量，使得簇头数量稳定，位置分布均匀，避免了剩余能量较低的节点当选为簇头的情况；在成簇过程中引入了节点深度这一参数，使靠近汇聚节点的簇头，其成员数量较少，这样可以节省部分能量来转发其它簇头的数据，缓解了“热区”效应；簇头在选择下一跳节点时充分考虑簇头的节点深度值、剩余能量和簇成员数量的影响，进一步均衡了节点能量消耗，延长了网络寿命。

Description

一种基于节点深度的无线传感器网络分簇路由协议

技术领域

本发明涉及一种应用于无线传感器网络的分簇路由算法；本发明适用于无线自组网络应用领域，尤其适用于无线传感器网络应用领域。

背景技术

无线传感器网络由大量的无线传感器节点组成，广泛应用于环境监测、楼宇智能化、战场监视以及交通流量监测等领域。节点间通过低功耗的无线通信方式进行信息传递，每个节点的MCU、存储空间、电池能量等资源都非常有限，无线传感器网络的路由协议具有与传统网络不同的性能要求，其中低能耗一直是最重要的性能要求之一。同时，障碍物、无线通信距离和部分节点死亡等特性对无线传感器网络的路由产生极大的影响， 路由失败将导致节点等效死亡。为了保证无线传感器网络长时间有效的运行，需要研究高效的路由协议来延长网络生命周期，保证数据的可靠传输；

国内外研究学者已经提出了不少无线传感器网络路由协议，如Flooding、Gossiping、SPIN、Directed Diffusion、LEACH、PEGASIS、TEEN、GPSR等。这些典型的路由协议从网络拓扑结构的角度大体上可以分为两类：平面路由协议和分簇路由协议。平面路由协议如Flooding，SPIN等，虽然简单、易扩展，无须进行任何结构维护工作，但网络中无管理节点,缺乏对通信资源的优化管理，在进行数据传输的时候出现大量冗余的数据包，这样既减小了网络吞吐量，又降低了网络生存时间。分簇路由协议有LEACH，PEGASIS 等，在分簇的拓扑管理机制下，网络中的节点可以划分为簇头节点和成员节点两类。在每个簇内，根据一定的机制算法选取某个节点作为簇头，用于管理或控制整个簇内成员节点，协调成员节点之间的工作。成员节点无需维护复杂的路由信息，没有数据传输时可以关闭通信模块，很大程度上节省了网络能量。簇头负责簇内信息的收集和数据的融合处理以及簇间转发，减少了冗余数据的通信量，也节省了部分能量。但分簇路由协议通常具有很高的运算复杂度，必须周期性的选择簇首，同时维护簇结构，对于能量和运算能力受限的传感器节点来说也是不容忽视的开销。总体上，由于分簇路由具有拓扑管理方便、数据融合简单、能量利用高效等优点，逐渐成为了无线传感器网络中重点研究的路由技术。

LEACH协议采用簇的方式进行路由，将路由协议划分成节点设置和稳定工作两个阶段。在设置阶段，它将节点划分成若干个簇，每个簇中有一个簇头和多个一般节点，簇头随机选举产生，每个节点属于一个簇；在稳定工作阶段，它接收本簇内所有非簇头节点的数据，并结合自身的监测数据进行数据融合，然后将数据直接传输到Sink节点。簇头负责所有本簇内节点的数据接收和融合，所以簇头的能量消耗大于非簇头节点。为实现节点的能量均衡消耗，LEACH协议还提出“轮”的概念，即一次设置和稳定工作过程为一轮。每一轮使用不同的节点作为簇头，以实现所有节点的能量开销平衡。

由于簇头的选举具有随机性，因此可能导致能量较少的节点当选为簇头，加速了其能量消耗而过早死亡。该协议中簇头节点与Sink节点之间的数据传输采用直接传输的方式，导致簇头节点能量的消耗过大。而且在实际应用中无法保证其假设条件，如簇头与Sink节点之间存在障碍物时，簇头节点无法将数据发送给Sink节点，从而导致路由失败。

发明内容

本发明针对LEACH路由协议中可能选择低能量节点为簇头、簇头数据单跳传输耗能较大、节点间能量消耗不均衡等问题，提出了一种优化的路由协议CRAND (A Clustering Routing Algorithm based on Node Depth for WSN)。该算法主要采用了节点深度这一参数，使簇头分布更均匀，选择能量较高的节点作为簇头，杜绝了LEACH中剩余能量较低的节点当选为簇头的情况。另外，在成簇时，使得簇成员数量不均匀。靠近汇聚节点的簇，成员数量较少；而远离汇聚节点的簇，成员数量较多。这样，靠近汇聚节点的簇头可以节省部分能量来转发其它簇头的数据，以缓解“热区”效应，均衡网络中节点的能量消耗。簇头间采用多跳的数据传输方式，避免远处的簇头直接发送数据给汇聚节点，消耗过多能量。在选择最佳传输路径时，考虑节点深度值、簇头剩余能量和簇成员数量的影响，进一步均衡节点能量消耗，延长网络寿命。

   本发明主要包括以下内容：

1初始化阶段

初始化阶段完成整个算法的初始化过程，为后面的的算法正常执行建立基础。该阶段的主要任务是建立网络节点深度值，节点深度值将在分簇和路由选择算法中起到重要作用。另外，设置网络中的所有传感器节点均同构，并且具有相同的初始化能量。

无线传感器网络初始化前，Sink节点的节点深度D设置为0，其他节点的节点深度设置为无穷大。初始化开始后，Sink节点以通信半径R广播自己的节点深度信息。其他节点收到广播信息后，按照以下方法进行处理：节点i收到节点j广播的节点深度消息时，如果收到的节点深度值                                                

小于节点自身的节点深度

，则将自身的节点深度值设置为

，并以通信半径R广播新的节点深度值(

)；否则不广播；

2当网络中所有节点获得节点深度值后，初始化阶段完成。本发明算法按轮开始正常执行，每一轮主要有以下三个阶段：

2.1分簇阶段

每一轮开始时执行的是分簇算法，该算法的主要任务是在网络中选择合适的节点作为簇头，合理的划分簇群。分簇阶段具体划分为三个时段：

(1)在能量信息广播时段

内，网络中各个节点以通信半径R广播一条消息给其邻居节点，其中包含自身节点ID和剩余能量的信息。节点记录收到的邻居消息，并采用以下公式计算其邻居节点的平均剩余能量值；

                     

式中，

表示节点i的邻居节点的剩余能量平均值，

为邻居节点j的剩余能量，n表示节点i的邻居节点总数量。

(2)

时段后，是簇头竞争时段

。节点根据邻居节点的平均剩余能量和自身剩余能量确定声明簇头的时刻，簇头声明广播消息的无线通信半径设置为R。簇头声明广播的时刻计算如下：

 

 其中，

为簇头声明等待时间，

为邻居节点剩余能量的平均值，

为节点剩余能量，

为簇头竞争总时间，

为[0.95，1]之间的随机数；

由上式可知，具有高剩余能量的节点将会优先发送簇头声明广播，其他节点收到广播后，选择最优的簇头进行注册，成为某个簇的成员。如果节点在自身簇头声明时刻

之前收到另一个簇头声明广播，则节点不再发送簇头声明，放弃竞选簇头。

(3)当

时段结束后，立即执行入簇时段

。普通节点根据收到的簇头声明消息选择合适的簇头加入。一个节点可能同时收到多个簇头的广播，节点优先选择节点深度值较高的节点作为簇头。若节点深度值相同，则选择剩余能量较高的节点作为簇头。即普通节点尽量选择具有高节点深度值且高能量簇头加入，发送JoinMsg消息。这种方法的优点是，靠近Sink节点的簇内的成员数量较少，簇头可以节省一部分能量来转发其它数据，缓解“热区”效应。

2.2簇内传输阶段

簇头节点起到局部管理者的作用，负责安排簇内成员的数据传输次序和收集所在簇的所有节点数据。簇头根据簇成员的数量建立一个 TDMA 调度表为本簇内的所有簇成员点分配数据传输的时隙。成员节点按照TDMA 调度表，在分配给自己的时隙内将采集的监测数据传送给簇首节点，以此来避免成员节点同时发送数据导致的干扰，簇内成员节点可以在不属于自己传输的时间关闭通讯传输模块，这就减少了成员节点的能量消耗。簇头节点把收到的簇内成员节点的数据进行数据融合，滤除部分冗余数据，减少通信数据量来节省能量。

2.3簇间传输阶段

本发明中，簇头采用多条的方式把数据发送到Sink节点。在簇间路由开始时，所有簇头广播一条消息，广播功率覆盖两倍簇头竞争半径范围(2R)内的节点。这条消息包括簇头 ID、节点深度值、剩余能量、成员节点数的信息。接收到消息后，则建立一个邻居簇头信息表。然后，根据邻居簇头的信息计算下一跳节点。

若簇头自身节点深度为1或2时，则设置下一跳节点为Sink节点，直接发送数据到Sink节点。若簇头节点深度大于2，则采用以下公式计算簇头节点到其邻居簇头的路由因数，并选择路由因数值最大的邻居簇头作为下一跳节点。路由因数计算公式如下：

  

其中，表示簇头节点

到

的路由因数，表示簇头

的剩余能量，

为节点的初始能量，

为簇头

的成员节点数量，

为簇头

的节点深度值，

为簇头

的节点深度值，

、

、

为加权系数，且++

=1，>>

>0；

依照上述的方法，传感器网络中的所有簇头节点之间便建立起优化的路由路径。当簇间路由建立起来后，各簇头节点根据簇间路由表发送自己的数据或者直接转发其它簇头的数据；

按照上述方法，每一轮数据传输完成后，继续执行下一轮。

附图说明

图1 CRAND算法中网络节点深度建立示意图；

    图2 CRAND算法节点入簇过程；

    图3 CRAND算法簇间路由过程；

    图4 LEACH与CRAND算法存活节点数量变化曲线；

    图5 LEACH与CRAND算法网络能量变化曲线。

具体实施方式

    下面结合附图对本发明作近一步的的详述；

CRAND 协议首先建立网络中的节点深度。节点深度值在簇的形成和簇间路由选择阶段起到重要作用。节点采用基于跳数的节点深度生成方式，所有节点根据接收到的节点深度消息，确定自己的节点深度。

1初始化阶段 

无线传感器网络初始化时，汇聚节点Sink的节点深度值Depth设置为0，其他节点的节点深度值初始设置为无穷大。Sink节点以通信半径R广播DepthSet数据包，包含DataType、NodeID和Depth三种参数，其中Depth=MyDepth+1。其他节点收到广播信息后，利用以下方法进行处理；

当一个节点收到DepthSet数据包时，把其中的Depth值存储起来，作为自己的节点深度值MyDepth。然后，该节点把MyDepth值加1，NodeID修改为自己的ID，再把DepthSet包广播给其它邻居节点。一个传感器节点可能收到多个来自中间节点的DepthSet数据包。例如，一个节点收到来自邻居节点

的DepthSet消息时，节点

会对这些消息中的Depth值进行比较，并选择最小值

作为节点

的节点深度值。其中，

表示节点

发送到节点

的节点深度值，

表示节点

收到的DepthSet数据包总数量。

如图1所示，经过节点深度建立阶段，节点a，b，c，d，e，f分别获得自己的节点深度值。其中，节点c同时收到节点b广播的节点深度值2的消息和节点d发送的节点深度值3的消息，节点c设置自身的节点深度值为2，并发送节点深度值为3的广播消息；

在节点深度建立的过程中，节点都会以半径R为参数设置自己的节点深度值。R越大，网络中设置的节点深度越小；反之越大，即节点深度与无线广播半径R成反比。同时，节点深度值也代表了节点到达基站所需的最小跳数；

当初始化阶段完成后，网络正式进入时间上以“轮”为周期的工作过程。在每一轮开始时，首先进行分簇，把整个网络划分为多个局部网络，建立数据传输的路径；分簇阶段完成后，网络进入数据稳定传输阶段，这个阶段中分为多个时限，每个时限中又划分为簇内传输和簇间传输两个过程。

2.1分簇阶段

分簇形成的过程具体可以分为以下3个时段：

(1) 信息广播时段

在信息广播时段时间内，各个节点以通信半径R广播一个消息给其邻居节点，消息包含自身节点ID和剩余能量。任意节点i采用下式计算其邻居节点的平均剩余能量值；

 

其中，表示节点i的邻居节点的剩余能量平均值，

为邻居节点j的剩余能量，n表示节点i的邻居节点总数量；

然后，各个节点使用下式计算自己的簇头声明广播的时刻；

 

 式中，为簇头声明等待时间， 

为邻居节点剩余能量的平均值，

为节点剩余能量，

为簇头竞争总时间，

为[0.95，1]之间的随机数。

(2) 簇头竞争时段

当

时段完成后，CRAND 协议立刻进入簇头竞争时段

。节点在等待

时间后，开始广播自己当选为簇头的声明消息HeadMsg，其中包含节点ID、剩余能量和节点深度值Depth三种信息。根据上面的公式，在同一个簇范围内，如果节点剩余能量越大，则

越小，即越早发送簇头声明广播，成为簇头的概率越大；并且，通过引入随机数

，可以在一定程度上降低声明簇头时产生的冲突。如果节点在自身簇头声明时刻

之前收到一个簇头声明广播，自身成为普通节点，不再发送簇头声明。

(3) 节点入簇时段

当

时刻到达后，普通节点根据收到的簇头声明消息选择合适的簇头加入。如图2所示，一个节点可能同时收到多个簇头的广播，节点优先首先选择节点深度值Depth较高的节点作为簇头。若节点深度值相同，则选择剩余能量较高的节点作为簇头。即普通节点尽量选择具有高节点深度值且高能量簇头加入，发送JoinMsg消息。这种方法的优点是，靠近Sink节点的簇内的成员数量较少，簇头可以节省一部分能量来转发其它数据，缓解“热区”效应。

2.2簇内传输

簇头收到各个成员加入请求的消息之后，依照所收到请求消息的先后次序为簇内成员节点创建一个TDMA时间调度表，然后将其广播给簇内成员，当簇内所有节点收到所属簇的簇头发送的时间调度表之后，簇的建立阶段结束；

簇头节点起到局部管理者的作用，负责安排簇内成员的数据传输次序和收集所在簇的所有节点数据。成员节点根据 TDMA 调度表， 在分配给自己的时隙内将采集的监测数据传送给簇首节点，以此来避免成员节点同时发送数据导致的干扰，簇内成员节点可以在不属于自己传输的时间关闭通讯传输模块，这就减少了成员节点的能量消耗。簇头节点把收到的簇内成员节点的数据进行数据融合，滤除部分冗余数据，减少通信数据量来节省能量。

2.3簇间传输

CRAND 协议簇间多跳路由建立采用分布式策略，设计目标是找到一条优化路径，以减小簇间数据传输的能耗和避免“热区”问题。各簇头广播一条消息，广播功率覆盖两倍簇头竞争半径范围(2R)内的节点；这条消息包括簇头 ID、节点深度值Depth、剩余能量、簇内成员节点数量的信息。各簇头接收到这些消息后，则建立一个邻居簇头信息表；然后，根据邻居簇头的信息计算下一跳节点。

如果簇头自身节点深度值为1或2，则设置下一跳节点为Sink节点，直接发送数据到Sink节点；若簇头节点深度值大于2，则采用以下公式计算簇头节点到其邻居簇头的路由因数，并选择路由因数值最大的邻居簇头作为下一跳节点。依照上述的方法，传感器网络中的所有簇头节点之间便建立起优化的路由路径，簇头节点根据路由表发送簇内数据或转发数据；

路由因数计算公式如下：

         

其中，

表示簇头节点

到

的路由因数，

表示簇头

的剩余能量，为节点的初始能量，为簇头

的成员节点数量，

为簇头

的节点深度值，

为簇头

的节点深度值，

、

、为加权系数，且=0.6、

=0.3、

=0.1；

路由因数函数的设计主要基于以下考虑: 上式中第 1 项选择节点深度值较低的簇头作为中继节点。节点深度值越低，则节点越靠近Sink节点，簇间多跳路由尽量选择最短路径，消耗能量更少；第 2 项选择剩余能量较大的簇头作为中继节点。中继节点完成数据转发的任务，需要消耗更多的能量；第 3项选择簇内成员节点较少的簇头作为中继节点；成员节点较少的簇头在簇内通信中消耗的能量较少，故有较多的能量保留下来用于簇间数据转发。

     图3说明了CRAND 协议中簇间路由的选择情况。簇头

的节点深度值为1，簇头的节点深度值为2，因此簇头

和

的下一跳节点为汇聚节点，它们直接把数据发送到汇聚节点Sink；而簇头、

、

、

在选择路由时，都选择路由因数最大的簇头节点作为自己的下一跳节点。

以上一轮执行完后，继续进行下一轮的运行，由此周而复始，直到Sink节点不在接收到传感器网络中的任何数据，判断传感器节点能量消耗完，即网络失效；

     为了验证本发明方法的性能，对LEACH和CRAND 两种算法进行了仿真，从传感器网络节点存活数、网络能耗两方面进行了比较和分析；

仿真场景设置如表1所示：在一个100m×l00m的正方形平面区域中随机分布有100个同质的传感器节点。网络中所有的传感器节点位置是固定不动的，汇聚节点位于坐标(110m，50m)的位置上。每个节点的起始能量均为2J，数据信息包长度大小为5000bits，网络信道带宽1Mb/s。当网络中总剩余节点数目小于5时，就认为网络已经死亡，仿真到此就会结束。假定簇头节点可以滤除10%的冗余数据，在转发数据包过程中没有丢失，没有误码。

 

                                   表1 网络环境参数

参 数	取 值
		网络范围	(0,0)~(100,100)m
基站(Sink)位置	(110,50)m
		节点数量	100
初始能量	2J
		信道带宽	1Mb/s
数据包大小	5000bits

仿真结果图4显示了两种算法下存活节点数随仿真时间的变化情况。从图中可以看出, LEACH协议中，当进行到75轮左右时，开始有节点死亡，到140轮时，所有节点死亡；在CRAND 协议中，到160轮才有节点开始死亡，最后死亡的节点可以存活到210轮左右。不难得出，CRAND 相对于 LEACH明显提高了网络生存周期。产生以上差异主要是因为CRAND使用非均匀分簇和簇间多跳路由有机结合的方式，有效地平衡了靠近基站的簇和远离基站的簇之间的数据传输能耗。同时, CRAND 采用簇间优化路由更有效地平衡了不同位置簇头节点的能耗。

仿真结果图5对比了两种协议的网络总能耗随仿真周期的变化曲线，基本较小的坡度代表较慢的能量消耗速度和较长的生存时间。CRAND 对应的曲线的坡度较小，且曲线基本是线性变化的，说明整个网络生存周期中，网络整体的能量消耗比较稳定；而LEACH对应的曲线坡度变化较大，坡度随时间的增长而变大，说明网络刚开始能量消耗较均匀，但到后期，能量消耗明显开始变大。如此说明，CRAND 能够有效的均衡网络的能量消耗；

CRAND 协议使用跳数作为确定节点深度的参数，而基于跳数建立的节点深度能够保障所有节点的节点深度形成一个连续的节点深度空间，使得数据可以在降序的节点深度路径上进行数据转发，减少了中间节点的转发次数，避免了转发回路。另外，CRAND 采用基于节点剩余能量成簇算法路由机制，确保剩余能量较大的节点当选为簇头，均衡了节点的能量开销，延长了网络的生命周期；仿真结果表明，CRAND 协议具有高效节能的特性。

Claims (2)

1.一种基于节点深度的无线传感器网络分簇路由协议，其特征为：通过网络中节点深度值和剩余能量优化了分簇以及簇头间路由选择算法，解决了无线传感器网络的节能问题。

2.根据权利要求1所述，一种基于节点深度的无线传感器网络分簇路由协议其特征包括：

传感器网络首先执行初始化阶段，以建立网络节点深度值；初始化前，Sink（汇聚）节点的节点深度值D设置为0，其他节点的节点深度设置为无穷大；

Sink节点首先以通信半径R广播自己的节点深度消息；其他节点收到广播消息后，按照以下方法进行处理：节点i收到节点j广播的节点深度消息时，如果收到的节点深度值                                                

小于节点自身的节点深度

，则将自身的节点深度值设置为

，并且以通信半径R广播新的节点深度值（

）；否则不广播；

初始化阶段完成后，该算法按轮执行，每一轮主要有以下3个阶段：

2.1分簇阶段：

分簇开始时，进入信息广播时段；

该时段内，网络中各个节点以通信半径R广播一条消息给其邻居节点，其中包含自身节点ID和剩余能量；任意节点i采用以下公式计算其邻居节点的平均剩余能量值；

                     

式中，

表示节点i的邻居节点的剩余能量平均值，

为邻居节点j的剩余能量，n表示节点i的邻居节点总数量；

时段结束后，进入簇头竞争时段

，各节点根据邻居节点的平均剩余能量和自身剩余能量确定声明簇头的时刻，簇头声明广播消息的无线通信半径设置为R；簇头声明广播的时刻计算如下：

 

 其中，

为簇头声明等待时间，为邻居节点剩余能量的平均值，

为节点剩余能量，

为簇头竞争总时间，

为[0.95，1]之间的随机数；

根据以上的公式，具有高剩余能量的节点将会优先发送簇头声明广播，其他节点收到广播后，选择最优的簇头进行注册，成为某个簇的成员；

如果节点在自身簇头声明时刻

之前收到另一个簇头声明广播，则节点不再发送簇头声明，放弃竞选簇头；

当

时段完成后，是入簇时段，普通节点选择最优簇头加入；如果一个节点同时收到两个簇头的广播，节点选择节点深度值较高的节点作为簇头，若节点深度值相同，则选择能量较高的节点作为簇头；

2.2簇内传输阶段：

分簇阶段完成后，簇头根据簇成员的数量建立一个包含若干个时隙的TDMA调度表为本簇内的所有簇成员点分配数据传输的时隙；然后，簇头把该调度表发送给簇内的成员节点，成员节点根据 TDMA 调度表，在分配给自己的时隙内将监测数据传送给簇头节点，以此来避免成员节点同时发送数据导致的干扰；

2.3簇间传输阶段：

首先，所有簇头广播一条消息，广播功率覆盖两倍簇头竞争半径范围(2R)内的节点；

这条消息包括簇头 ID、节点深度值、剩余能量、成员节点数的信息；簇头接收到消息后，则建立一个邻居簇头信息表；然后，根据邻居簇头的信息选择下一跳节点；如果簇头自身节点深度为1或2时，则设置下一跳节点为Sink节点，直接发送数据到Sink节点；若簇头节点深度大于2，则采用以下公式计算簇头节点到其邻居簇头的路由因数，并选择路由因数值最大的邻居簇头作为下一跳节点；

路由因数计算公式如下：

  

式中，表示簇头节点

到

的路由因数，表示簇头

的剩余能量，

为节点的初始能量，

为簇头

的成员节点数量，

为簇头

的节点深度值，

为簇头

的节点深度值，

、

、

为加权系数，且

+

+

=1，>

>

>0；

依照上述的方法，传感器网络中的所有簇头节点之间便建立起优化的路由路径；各簇头节点根据簇间路由表发送自己的簇内数据、或者转发收到其他簇头的数据；

每一轮数据传输完成后，返回到2.1，按照同样的方法继续执行下一轮。

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