CN103298056B - 一种无线路由协议方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无线路由协议方法，在低功耗自适应集簇分层型协议的基础上，通过对传感区域进行分层，优化簇首的选举和簇间的数据传输方式来减少能量的消耗；本发明基于节点到汇聚节点的距离对整个网络进行分层，并在各层中进行簇首的选举和簇的形成，距离汇聚节点越近的簇越密集，簇半径越小；簇间使用多跳的传输方式来传输数据从而达到平衡各节点能量的目的。总之，本发明能够更有效地延长无线网络的生命周期。

Description

一种无线路由协议方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术领域，具体涉及一种无线路由协议方法。

背景技术

无线传感器网络是当前的一个热门的研究领域。无线传感器网络是现实的物理世界和信息世界的桥梁，在环境监测、智能家居、军事和商业等很多方面有着很好的应用前景。无线传感器网络由大量能量有限、计算和存储能力弱的传感器节点组成。由于传感器节点的能量大部分消耗在数据的传输上，因此设计一个能量高效的路由协议已经成为了无线传感器网络应用的迫切要求。

在无线传感器网络的分簇路由协议中，它的主要思想是通过等概率的随机选举簇首，将网络负载平均分配到整个网络的节点中，从而达到延长网络生命周期的目的。

此类方法节点的能量消耗较大，需要进一步降低其能量消耗，进一步延长网络生命周期。本发明在LEACH（低功耗自适应集簇分层型协议）的基础上，通过对传感区域分层，优化簇首的选举和簇间的数据传输方式来减少能量的消耗。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供一种无线路由协议方法，具体技术方案如下。

一种无线路由协议方法，适用于无线传感器网络，其是在低功耗自适应集簇分层型协议的基础上，通过对传感区域进行分层，优化簇首的选举和簇间的数据传输方式来减少能量的消耗；所述对传感区域进行分层的过程包括：在网络部署阶段，汇聚节点在覆盖范围内广播hello消息将整个网络划分成n个层，节点依据接收到的信号强度判断其到汇聚节点的距离来分别加入不同的层。

上述的无线路由协议方法中，所述Hello消息的内容包括汇聚节点到各层下边界的距离L_i、各层节点当选为簇首的概率p_i和网络的平均剩余能量E_ave，i代表节点所在层的序号，i＝1、2、3…n。

上述的无线路由协议方法中，所述对传感区域进行分层的过程中，节点选择加入第i层的步骤为：①汇聚节点发送hello消息；②节点根据接收到的信号强度来判断到汇聚节点的距离；③如果L_i<D_to-sink<L_i+1则节点加入第i层，D_to-sink为节点距离sink节点的距离。

所述对传感区域进行分层的过程中，通过增大区域划分面积，增加这个区域的节点数，也就是让L_i-L_i-1>L_i+1-L_i，这样在经过多轮的簇首选举之后将能量消耗平均分布到更多的节点，从而提高网络的生命周期；i代表节点所在层的序号，i＝1、2、3…n。

上述的无线路由协议方法中，所述簇首的选举过程包括：每轮簇首选举开始前，汇聚节点都要向全网广播所有节点的平均剩余能量，只有剩余能量大于平均能量值的节点根据自己的剩余能量来设定一个延时值t_delay，其它节点退出簇首竞争过程，进入睡眠状态减少能量消耗；剩余能量越大的节点产生的延时值越小，当延时值达到时节点便会向周围节点发送自己成为簇首的消息；如果当节点的延时值到来之前接收到其他节点发送的成为簇首的消息，该节点就会将发送此消息的所述其他节点标记为自己的簇首，并向所述其他节点发送请求加入消息之后退出簇首竞选过程。

上述的无线路由协议方法中，所有节点都加入了簇之后，簇首判断本簇的成员节点数目是否过少，如果簇成员数目太少就解散簇，让簇内的所有节点重新加入邻居簇。

所述簇首的选举过程中，通过增加汇聚节点附近的簇密度来减小它们的的簇半径R_n，从而减少簇首的能量消耗，其中p_n代表第n层的成簇概率p_n>p_n+1，越接近汇聚节点的层簇的密度越大，从而簇的大小更小。S_n代表第n层的面积，N_n代表第n层节点数目，PI代表圆周率。

上述的无线路由协议方法中，所述簇间的数据传输方式具体是：簇首将从簇成员节点接收到的数据信息和自己采集到的数据融合之后传递给上一层的簇首节点，簇首在选择上一层的父节点的时候根据下式在2R_i范围内选择T_i最大的簇首为父节点，T_i按(3)式计算，

$T_i=\mathrm{\&alpha;}\left(\frac{d_{\max }-d\_\mathrm{to}\_\mathrm{ch}}{d_{\max }}\right)+(1-\mathrm{\&alpha;})\frac{E_{\mathrm{current}}}{E_{\mathrm{initial}}}---\left(3\right)$

其中d_to_ch为上层簇首节点到汇聚节点的距离，d_max为上层节点到汇聚节点的最大距离，E_current为上层簇首节点的当前剩余能量，E_initial为节点的初始能量，系数α为调整因素，T_i为节点i竞选簇首时的权值；通过适当地调整系数α可以平衡距离因素和能量因素，从而平衡节点的能量消耗达到延长网络命周期的目的。

上述的无线路由协议方法中，通过一次成簇多次采集数据的方式来减少成簇的能量消耗，经过若干轮的数据传输之后如果有簇首节点的能量低于该簇的平均节点能量，就将簇首让给簇内的高能量节点，并将簇首改变的消息连同采集的数据一起汇报给汇聚节点。当簇首改变的次数达到设定数目时汇聚节点就让所有的节点重新分簇。

进一步的，传感器节点具有如下性质：①汇聚节点远离传感区域；②节点具有相同且有限的初始能量和数据处理能力；③节点的位置在配置后固定不变；④节点周期性地将收集到的数据传输到汇聚节点；⑤相同的数据在两个节点间的双向传递消耗的能量是相同的；⑥节点可以根据接收到的信号强度判断出到对方的距离（可以是大致距离），并根据这个距离来调整节点的发射功率；⑦节点具有唯一地址。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：本发明在低功耗自适应集簇分层型协议的基础上，通过对传感区域进行分层，优化簇首的选举和簇间的数据传输方式来减少能量的消耗；将网络负载平均分配到整个网络的节点中，从而达到延长网络生命周期的目的。

附图说明

图1为实施方式中hello消息格式示意图。

图2为本发明的网络分层分簇示意图。

图3为实施方式中的选簇流程图。

图4为实施方式中的数据传输流程图。

图5为实施方式中四种协议中每轮的剩余节点数目仿真结果图。

具体实施方式

以上内容已经对本发明作了清楚完整的说明，以下再结合附图对本发明的实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。

本实施方式中的网络模型为：假定N个传感器节点均匀地分布在一个M*M的正方形区域内，并且传感器节点具有以下几点性质：①汇聚节点远离传感区域；②节点具有相同且有限的初始能量和数据处理能力；③节点的位置在配置后固定不变；④节点周期性地将收集到的数据传输到汇聚节点；⑤通信是对称的即相同的数据在两个节点间的双向传递消耗的能量是相同的；⑥节点可以根据接收到的信号强度大致的判断出到对方的距离，并根据这个距离来调整节点的发射功率；⑦节点具有唯一地址。

本实施方式无线通信模型为：节点的能量消耗采用文献（计算机工程与设计、WSN中负载平衡的LEACH通信协议研究、2007年9月，Vol.28No.18）的无线通信模型进行计算。当节点发送lbit数据到距离为d的节点时消耗的能量可以用下式来计算：

$E_{\mathrm{Tx}}(l,d)=E_{\mathrm{Tx}-\mathrm{elec}}\left(l\right)+E_{\mathrm{Tx}-\mathrm{amp}}(l,d)=\left\{\begin{array}{cc}l*E_{\mathrm{elec}}+l*{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{fs}}*d^2& d\&le;d_0\\ l*E_{\mathrm{elec}}+l*{\mathrm{\&epsiv;}}_{\mathrm{mp}}*d^4& d>d_0\end{array}\right.---\left(1\right)$

节点接收lbit的数据消耗的能量为：

E_Rx(l)=E_Rx-elec(l)=l*E_elec（2）

其中E_elec为无线收发电路消耗的能量。E_Tx-elec表示放大器消耗的能量，其大小和传输的数据大小、两节点之间的距离有关。假设每个簇首将消耗E_DA的能量来进行数据融合。

由于簇首节点不仅要收集簇内成员节点传来的数据并融合，还要将融合后的数据传递到汇聚节点，所以簇首节点相比成员节点要消耗更多的能量，距离汇聚节点更近的簇首节点还要帮助远距离的簇首节点传递数据，消耗更多的能量。所以设计一个好的簇首选举和簇间数据传输算法对平衡网络内所有节点的能量消耗，延长传感器网络的生命周期是非常必要的。本实施方式就是在LEACH（低功耗自适应集簇分层型协议）的基础上，通过对传感区域分层，优化簇首的选举和簇间的数据传输方式来减少能量的消耗。

1、网络的分层

在网络部署阶段，汇聚节点在覆盖范围内广播hello消息将整个网络划分成n个层。节点依据接收到的信号强度判断其到汇聚节点的距离来分别加入不同的层。Hello消息的格式如图1所示。

其中L_i为汇聚节点到第i层下边界的距离，i＝1、2、3…n，p_i为第i层节点当选为簇首的概率,E_ave为网络的平均剩余能量。节点选择加入第i层的步骤为：①汇聚节点以一定功率发送“hello”消息；②节点根据接收到的信号强度来判断到汇聚节点的距离；③如果L_i<D_to-sink<L_i+1则节点加入第i层。由于靠近汇聚节点的区域簇首消耗的能量更大，可以通过增大区域划分面积，增加这个区域的节点数，也就是让L_i-L_i-1>L_i+1-L_i。这样可以在经过多轮的簇首选举之后将能量消耗平均分布到更多的节点，从而提高网络的生命周期。

2、节点竞选簇首的半径

如前面所述距离汇聚节点近的簇首节点不仅要收集成员节点传来的数据，而且还要传递其它簇首节点的数据。距离汇聚节点越近的簇首消耗的能量更多，所以应该通过增加汇聚节点附近簇首密度，使得距离汇聚节点越近的簇的半径R_n越小，从而减少簇首的能量消耗。其中p_n代表第n层的成簇概率p_n>p_n+1，越接近汇聚节点的层簇的密度越大，从而簇的大小更小。S_n代表第n层的面积，N_n代表第n层节点数目，PI代表圆周率。

3、簇首的选举和簇的形成

本实施方式的路由协议要求每轮簇首选举开始前，汇聚节点都要向全网广播所有节点的平均剩余能量。只有剩余能量大于平均能量值的节点根据自己的剩余能量来设定一个延时值t_delay，其它节点退出簇首竞争过程，进入睡眠状态减少能量消耗。剩余能量越大的节点产生的延时值越小，当延时值达到时节点便会向周围节点发送自己成为簇首的消息。如果当节点的延时值到来之前接收到其他节点发送的成为簇首的消息，该节点就会将发送此消息的所述其他节点标记为自己的簇首，并向所述其他节点发送请求加入消息之后退出簇首竞选过程。为了避免簇首靠近区域边界，在所有节点都加入了簇之后，簇首判断本簇的成员节点数目是否过少。如果簇成员数目太少的话就解散簇，让簇内的所有节点重新加入邻居簇。因为越靠近区域边界的节点的邻居节点会更少从而形成的簇就更小，通过解散成员数目较小的簇就可以在一定程度上避免边界附近的节点成为簇首。本实施方式的分层分簇情况如图2所示，选簇流程如图3所示。

4、数据传输

数据传输分为簇内传输和簇间传输。簇内数据传输时，簇首节点为自己的成员节点分配一个时间片段，每个节点在各自的时间片段内将收集到的数据和自己的剩余能量等一些附加信息传送给簇首节点。数据传输流程如图4所示：簇首将从簇成员节点接收到的数据信息和自己采集到的数据融合之后传递给上一层的簇首节点。簇首在选择上一层的父节点的时候根据下式在2R_n范围内选择T_n最大的簇首为父节点，T_n按(3)式计算。

$T_n=\mathrm{\&alpha;}\left(\frac{d_{\max }-d\_\mathrm{to}\_\mathrm{ch}}{d_{\max }}\right)+(1-\mathrm{\&alpha;})\frac{E_{\mathrm{current}}}{E_{\mathrm{initial}}}---\left(3\right)$

其中d_to_ch为上层簇首节点到汇聚节点的距离，d_max为上层节点到汇聚节点的最大距离，E_current为上层簇首节点的当前剩余能量，E_initial为节点的初始能量，系数α为调整因素（通过实验仿真得到α的最优值）。可以通过适当的调整系数α来平衡距离因素和能量因素，从而平衡节点的能量消耗达到延长网络命周期的目的。

5、簇的维护

由于每一轮的数据采集都包括成簇阶段和数据传输阶段，而真正有数据传输到汇聚节点的阶段是数据传输阶段，成簇阶段只是组织网络内的节点。所以应该减少成簇阶段占每轮数据采集的时间比，减少成簇所消耗的能量，提高能量的利用效率。本实施方式通过一次成簇多次采集数据的方式来减少成簇的能量消耗。经过几轮的数据传输之后如果有簇首节点的能量低于该簇的平均节点能量，就将簇首让给簇内的高能量节点，并将簇首改变的消息连同采集的数据一起汇报给汇聚节点。当簇首改变的次数达到设定数目时汇聚节点就让所有的节点重新分簇。

仿真分析

评价传感器网络的生命周期有三个指标：①第一个节点死亡轮数；②半数节点死亡轮数；③所有节点死亡轮数。由于传感器网络是由大量的相同传感器节点组成，其中一个节点的死亡对整个网络的影响不大，而大部分节点死亡只剩下少数节点的时候无线传感器网络就已经失去了功能。所以本实施方式用半数节点死亡的轮数来评价传感器网络的生命周期。本实施方式采用matlab仿真软件对本实施方式的路由协议进行了仿真。网络的配置参数如表1所示。

经过仿真得到：当选择父节点时所使用的参数α取0.3，网络分为三层宽度分别为73m、65m、62m,选簇概率分别为0.65、0.5、0.4时能够取得比较好的效果，所以本实施方式采用上述参数进行仿真。对LEACH,LEACH_E，EEUC和本实施方式的协议在相同的配置下进行仿真，并将四种协议每一轮的剩余节点数进行统计得到图5。

由图5可知本实施方式的协议和EEUC协议相对LEACH和LEACH_E而言，由于采用了分层的思想，所以改善的较多。本实施方式协议与EEUC相比，虽然第一个节点的死亡轮数要早于EEUC但是，大部分的节点死亡轮数要晚于EEUC。仿真实验对比表明，本协议能够更有效地延长无线网络的生命周期。

表1.网络参数表

Claims (9)

1.一种无线路由协议方法，适用于无线传感器网络，其特征是在低功耗自适应集簇分层型协议的基础上，通过对传感区域进行分层，优化簇首的选举和簇间的数据传输方式来减少能量的消耗；所述对传感区域进行分层的过程包括：在网络部署阶段，汇聚节点在覆盖范围内广播hello消息将整个网络划分成n个层，节点依据接收到的信号强度判断其到汇聚节点的距离来分别加入不同的层，超过设定距离后的所有节点划入第n层，n为正整数；

所述簇首的选举过程包括：每轮簇首选举开始前，汇聚节点都要向全网广播所有节点的平均剩余能量，只有剩余能量大于平均能量值的节点根据自己的剩余能量来设定一个延时值t_delay，其它节点退出簇首竞争过程，进入睡眠状态减少能量消耗；剩余能量越大的节点产生的延时值越小，当延时值达到时节点便会向周围节点发送自己成为簇首的消息；如果当节点的延时值到来之前接收到其他节点发送的成为簇首的消息，该节点就会将发送此消息的所述其他节点标记为自己的簇首，并向所述其他节点发送请求加入消息之后退出簇首竞选过程。

2.根据权利要求1所述一种无线路由协议方法，其特征是所述Hello消息的内容包括汇聚节点到各层下边界的距离L_i、各层节点当选为簇首的概率p_i和网络的平均剩余能量E_ave，i代表节点所在层的序号，i＝1、2、3…n。

3.根据权利要求1所述一种无线路由协议方法，其特征是所述对传感区域进行分层的过程中，节点选择加入第i层的步骤为：①汇聚节点发送hello消息；②节点根据接收到的信号强度来判断到汇聚节点的距离；③如果L_i<D_to-sink<L_i+1则节点加入第i层，D_to-sink为节点与汇聚节点之间的距离。

4.根据权利要求3所述一种无线路由协议方法，其特征是所述对传感区域进行分层的过程中，通过增大区域划分面积，增加这个区域的节点数，也就是让L_i-L_i-1>L_i+1-L_i，在经过多轮的簇首的选举之后将能量消耗平均分布到更多的节点，从而提高网络的生命周期；i代表节点所在层的序号，i＝1、2、3…n。

5.根据权利要求1所述一种无线路由协议方法，其特征是在所有节点都加入了簇之后，簇首判断本簇的成员节点数目是否过少，如果簇成员数目太少就解散簇，让簇内的所有节点重新加入邻居簇。

6.根据权利要求1所述一种无线路由协议方法，其特征是所述簇首的选举过程中，通过增加汇聚节点附近的簇首密度来减小它们的簇半径R_n，从而减少簇首的能量消耗，其中p_i代表第i层的成簇概率p_i>p_i+1，越接近汇聚节点的层簇的密度越大，从而簇的大小更小；S_i代表第i层的面积，N_i代表第i层节点数目，PI代表圆周率。

7.根据权利要求1～5任一项所述一种无线路由协议方法，其特征是所述簇间的数据传输方式具体是：簇首将从簇成员节点接收到的数据信息和自己采集到的数据融合之后传递给上一层的簇首节点，簇首在选择上一层的父节点的时候根据下式在2R_i范围内选择T_n最大的簇首为父节点，T_n按(3)式计算，

其中d_to_ch为上层簇首节点到汇聚节点的距离，d_max为上层节点到汇聚节点的最大距离，E_current为上层簇首节点的当前剩余能量，E_initial为节点的初始能量，系数α为调整因素，T_n为节点竞选簇首时的权值；通过适当地调整系数α以平衡距离因素和能量因素，从而平衡节点的能量消耗达到延长网络命周期的目的。

8.根据权利要求1所述一种无线路由协议方法，其特征是通过一次成簇多次采集数据的方式来减少成簇的能量消耗，经过若干轮的数据传输之后如果有簇首节点的能量低于该簇的平均节点能量，就将簇首让给簇内的高能量节点，并将簇首改变的消息连同采集的数据一起汇报给汇聚节点；当簇首改变的次数达到设定数目时汇聚节点就让所有的节点重新分簇。

9.根据权利要求1所述一种无线路由协议方法，其特征是传感器节点具有如下性质：①汇聚节点远离传感区域；②节点具有相同且有限的初始能量和数据处理能力；③节点的位置在配置后固定不变；④节点周期性地将收集到的数据传输到汇聚节点；⑤相同的数据在两个节点间的双向传递消耗的能量是相同的；⑥节点可以根据接收到的信号强度判断出到对方的距离，并根据这个距离来调整节点的发射功率；⑦节点具有唯一地址。