CN103369622B - 一种能量均衡消耗的路由方法 - Google Patents

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Abstract

该发明属于无线传感器网络技术领域中采用混合势能场以实现能量均衡消耗的路由方法。包括网络初始化，发送汇聚节点深度值，第一跳节点深度值的更新及发送，更新路由表并确定第二跳各节点当前的参数信息，节点剩余能量值的确定和更新，节点能量密度值的确定和更新，对节点生成及收到数据包的处理，下一跳候选节点的确定，各下一跳候选节点混合势能场值的确定，确定下一跳首选节点及下一跳节点的确定。该发明首先筛选出下一跳节点的候选节点，再从候选节点中筛选出其首选节点及下一跳节点。从而具有网络负载均匀，各节点能量消耗均衡，避免了网络过早出现盲区，延长了能源的使用寿命，有效提高网络运行的可靠性、效益及降低运行成本等特点。

Description

一种能量均衡消耗的路由方法
技术领域
本发明涉及无线传感器网络技术领域中的路由方法，特别是一种采用混合势能场以实现能量均衡消耗的路由方法，本发明通过对能量偏低节点的保护、合理分担网络负载，可有效地延长网络运行中能源的使用寿命。
背景技术
近年来，物联网（Internet of Thing,IOT）是一个炙手可热的话题。作为物联网关键技术之一的无线传感器网络（Wireless Sensor Networks,WSNs），在物联网产业化的浪潮中也得到了快速的发展。作为一门融合了智能传感、无线通信、嵌入式系统等多门技术的新兴的信息获取和处理技术，作为信息采集的无线传感器网络在军事通信、环境监测、医疗健康、空间探测、智能家居等领域都有广阔的应用前景。
在无线传感器网络中，各节点均依靠电池供电，以电池作为能源。而传感器节点的部署区域坏境复杂，甚至有些节点位置人员到达困难，频繁更换电池无疑将加大网络的管理和运行成本。因此如何实现能源的均衡、高效利用也就成了研究的热点。
均衡节点的能量消耗是节约能源的一个重要措施，能量的均衡消耗可最大限度地延长网络的运行周期，这也成为了无线传感网路由协议设计的最基本的原则之一。大部分现存的路由协议都是试图找到将数据传给汇聚节点消耗能量最少的路径（即最短路径），但基于这样的路由协议，数据包传输时将会造成路径的多次重复选择、而使该路径上的节点成为转发中的重负载节点，同时也加快了该路径上各节点的能量消耗；而当一些关键节点一旦能量耗尽、则可能导致网络的瘫痪，例如，能量耗尽的节点将网络隔离成两个或多个互相不可达的区域，导致网络出现通信的盲区。这时，虽然大多数节点仍然能够正常工作，但是从总体上说，网络已经无法满足用户的要求，从而使网络处于失效状态。这种由于能量消耗的不均衡性大大地缩短了网络的运行周期，提高了运行的成本。
近几年来，随着国内外无线传感器网络路由协议的研究发展，许多学者在能量均衡方面也进行了尝试和研究，提出了许多改进算法或新的协议。如文献《无线传感器网络中关于数据收集的能量均衡路由算法》（Fengyuan Ren;Jiao Zhang;Tao He;Chuang Lin;Ren,S.K.D.“Energy-balanced routing protocol for data gathering in wirelesssensor networks,”IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems,vol.22,no.12,2011,Page(s):2108-2125.）中所公开的路由算法即属于此类通过建立混合势能场来实现全局能量均衡消耗的技术，该方法借鉴经典物理学中势能场的概念建立了深度势能场、剩余能量势能场和能量密度势能场；其中：
深度势能场定义为Vd(i,t)＝1/[D（i,t）+1]、式中D(i,t)表示节点i在时刻t的深度；剩余能量势能场定义为Ve(i,t)＝E(i,t)、式中E(i,t)表示节点i在时刻t的剩余能量；能量密度势能场定义为式中ED(i,t)表示节点i在时刻t的能量密度、j表示节点i的邻居节点、s(i)表示节点i通信区域面积。在归一化条件下，把三个场组合在一起，建成一个混合势能场，并用α、β和1-（α+β）三个参数来分别表示各相应势能场在混合场中的权重，其混合势能场则为Vm(i,t)＝(1-α-β)Vd(i,t)+αVe(i,t)+βVed(i,t)（0≤α≤1∪0≤β≤1），在该混合势能场中，节点i与邻居节点j的势能差则为Um(i,j,t)＝Vm(j,t)-Vm(i,t)。最终在混合场的中选择邻居节点中势能差最大的节点作为数据传输中的下一跳节点。该传感器网络运行方法如下：
步骤1.网络初始化:首先给网络中除汇聚节点外的各节点分别分配一网络地址并建立路由表，然后将汇聚节点的深度值设置成0，而将其余各节点的深度值、剩余能量值以及能量密度值分别初始化成任一固定值；
步骤2.发送汇聚节点深度值：运行时汇聚节点将步骤1中设置的深度值0发送至所有第一跳节点；
步骤3.第一跳节点深度值的更新及发送：各第一跳节点在收到步骤2发送的深度值后，在汇聚节点深度值0的基础上加1作为各第一跳节点更新后的深度值，然后各第一跳节点分别将其网络地址和更新后的深度值及初始化的剩余能量值、初始化的能量密度值作为相应节点当前的参数（状态）信息发出；
步骤4.更新路由表并确定第二跳各节点当前的参数（状态）信息：当某一节点收到步骤3所发全部或部分数据包后，将各数据包中记录的网络地址、深度值、剩余能量值和能量密度值分别记录在该节点的路由表中；当该节点不是第一跳节点时则根据收到数据包中的记录的深度值加1作为该节点更新后的深度值，然后将该节点的网络地址和更新后的深度值及初始化的剩余能量值、能量密度值作为第二跳节点当前的参数（状态）信息发出；按上述办法依次更新网络中其余节点的路由表及确定相应的第三跳、第四跳…节点当前的参数（状态）信息；
步骤5.节点剩余能量值的确定和更新：通过自由能量模型ETx＝kETx-elec+kεfsd2、ERx＝kERx-elec分别计算各节点发送、接收数据包已消耗的能量值；其中k表示数据包的大小，ETx-elec表示发送器的能量消耗，εfs表示自由能量模型的参数，d表示节点发射距离,ERx-elec表示接收器的能量消耗；将初始化的剩余能量值与发送、接收数据包消耗的能量值之差更新各相应节点的剩余能量值以及路由表中该对应节点的剩余能量值；
步骤6.节点能量密度值的确定和更新：根据能量密度定义，表示节点i的邻居节点、s(i)表示节点i通信区域面积）确定各节点的能量密度值，更新相应节点初始化的能量密度值以及路由表中该对应节点的能量密度值；
步骤7.混合势能场值的确定：当某节点作为当前节点需发送所生成或转发收到的数据包时，根据该节点本身的参数（状态）信息确定其深度势能场值、剩余能量势能场值以及能量密度势能场值，分别采用α、β和1-（α+β）三个权值参数加权叠加成该当前节点的混合势能场值；再根据该节点的路由表中记录的邻居节点的参数（状态）信息确定各相应节点的深度势能场值、剩余能量势能场值以及能量密度势能场值，仍分别采用α、β和1-（α+β）三个权值参数加权后叠加成各相应节点的混合势能场值；
步骤8.确定下一跳节点：确定当前节点的混合势能场值与其各邻居节点的混合势能场值之差，然后选择势能差值中最大值所对应的邻居节点作为数据传输的下一跳节点，并将数据包传输给此节点；直至数据包到达汇聚节点。
该路由方法虽然克服了众多能量有效性路由方法，因网络发生能量不均衡消耗而过早失效等弊病，但由于在选择下一跳节点时不仅考虑节点深度值、还考虑了节点能量密度值以及剩余能量值，因此，该方法不但会导致数据包后传，而且还可能出现路由环路和冗余跳数等情况，并会造成传输延迟和不必要的能量消耗，制约数据包的有效传输，影响网络顺畅、高效运行，甚至不能确保数据包最终传向汇聚节点等缺陷。
发明内容
本发明的目的是针对背景技术存在的缺陷，研究开发一种能量均衡消耗的路由方法。其路由方法在驱使数据包向着能量密度大的区域传送的同时充分考虑了对能量偏低节点的保护，以达到合理分担网络负载，均衡各个节点的能量消耗，避免网络过早出现通信的盲区，延长网络运行中能源的使用寿命（周期），有效提高网络运行的可靠性、效益及降低运行成本等目的。
本发明的解决方案是在背景技术路由方法的基础上，在确定下一跳节点时首先筛选出下一跳节点的候选节点，而在确定数据包传输的下一跳候选节点时又将各节点参数（状态）信息中的深度势能场参数单独抽出给予优先考虑、并将其限制在邻居节点中深度值与当前节点深度值相等和小1的节点，以防止数据包后传、确保数据包总是向着汇聚节点传送并有效减少传输的延迟；然后再将能量密度势能场以及剩余能量势能场综合组成混合势能场，即经综合考虑能量密度值和剩余能量值，选择下一跳候选节点中混合势能场值中最大或较大值所对应的候选节点作为数据传输的下一跳的首选节点，从而实现全网络的能量均衡消耗；本发明即以此实现其发明目的。因而本发明传感器网络能量均衡消耗的路由方法包括：
步骤1.网络初始化:首先给网络中除汇聚节点外的各节点分别分配一网络地址并建立路由表，然后将汇聚节点的深度值设置成0，而将其余各节点的深度值、剩余能量值以及能量密度值分别进行初始化处理；
步骤2.发送汇聚节点深度值：运行时汇聚节点将步骤1中设置的深度值0发送至所有第一跳节点；
步骤3.第一跳节点深度值的更新及发送：各第一跳节点在收到步骤2发送的深度值后，在汇聚节点深度值0的基础上加1作为各第一跳节点更新后的深度值，然后分别将各第一跳节点分别将其网络地址和更新后的深度值及初始化的剩余能量值、能量密度值作为相应节点当前的参数（状态）信息发出；
步骤4.更新路由表并确定第二跳各节点当前的参数（状态）信息：当某一节点收到步骤3所发全部或部分数据包后，将各数据包中记录的网络地址、深度值、剩余能量值和能量密度值分别记录在该节点的路由表中；当该节点不是第一跳节点时，则在收到的数据包中记录的深度值上加1作为该节点更新后的深度值，然后将该节点的网络地址和更新后的深度值及初始化的剩余能量值、能量密度值作为第二跳节点当前的参数（状态）信息发出；按上述办法依次更新网络中其余节点的路由表及确定相应的第三跳、第四跳…节点当前的参数（状态）信息；
步骤5.节点剩余能量值的确定和更新：通过自由能量模型ETx＝kETx-elec+kεfsd2、ERx＝kERx-elec分别确定各节点发送和接收数据包已消耗的能量值；其中k表示数据包的大小，ETx-elec表示发送器的能量消耗，εfs表示自由能量模型的参数，d表示节点发射距离,ERx-elec表示接收器的能量消耗；将初始化的剩余能量值与发送、接收数据包消耗的能量值之差更新各相应节点的剩余能量值以及路由表中该对应节点的剩余能量值；
步骤6.节点能量密度值的确定和更新：根据能量密度定义，确定各节点的能量密度值，更新相应节点初始化的能量密度值以及路由表中该对应节点的能量密度值；式中j表示节点i的邻居节点、s(i)表示节点i通信区域面积；
步骤7.对节点生成及收到数据包的处理：当某一节点作为当前节点需生成拟发送的数据包时，首先建立该数据包的路由栈，再将该当前节点的深度值记录在路由栈中后，转步骤8；若该当前节点收到应转发的数据包时，则将该当前节点的深度值直接记录在所收到数据包的路由栈中后，转步骤8；
步骤8.下一跳候选节点的确定：将步骤7所述当前节点的路由表中各节点的深度值与该当前节点本身的深度值相等和小1的节点作为数据包传输的下一跳候选节点；
步骤9.各下一跳候选节点混合势能场值的确定：通过步骤8中所选的各下一跳候选节点的剩余能量值、能量密度值分别确定其剩余能量势能场值以及能量密度势能场值，进而确定各候选节点相应的混合势能场值；
步骤10.确定下一跳首选节点：选择混合势能场值中最大值所对应的下一跳候选节点作为数据传输的下一跳首选节点；
步骤11.下一跳节点的确定：首先判断下一跳首选节点的深度值是否与路由栈中所记录数据包经过的上两跳节点的深度值均分别相同，如果是，将该首选节点删除；并返回步骤10选择其差值为第二大的值所对应的节点作为下一跳首选节点，继续判断该下一跳首选节点的深度值是否与路由栈中所记录数据包经过的上两跳节点的深度值均分别相同，如果是，仍将该首选节点删除；按以上方式再返回步骤10选择其差值为第三大的值所对应的节点作为下一跳首选节点并进行判断，直至判断结果为否，此时该差值所对应的下一跳首选节点则为数据包传输的下一跳节点，并将该节点的深度值记录在数据包路由栈中；按以上方法确定各数据包传输的下一跳节点，直至数据包到达汇聚节点止。
上述步骤9中所述各下一跳候选节点的：剩余能量势能场值通过Ve(i)＝E(i)确定，式中E(i)表示节点的剩余能量值（即剩余能量势能场值与剩余能量值相等）；能量密度势能场值通过Ved(i)＝ED(i)＝∑E(j)/s(i)，式中ED(i)表示节点i的能量密度值、j表示节点i的邻居节点、s(i)表示节点i通信区域的面积。
步骤9中所述各下一跳候选节点混合势能场值的确定，所选各下一跳候选节点的混合势能场中剩余能量势能场值与能量密度势能场值之比均为1:0.8-3.0。
本发明在确定下一跳节点时首先筛选出下一跳节点的候选节点，而在确定数据包传输的下一跳候选节点时又将各节点参数（状态）信息中的深度势能场参数单独抽出给予优先考虑、并将其限制在邻居节点中深度值与当前节点深度值相等和小1的节点，从而防止了数据包后传、确了保数据包总是向着汇聚节点传送并有效减少传输的延迟；然后再选择下一跳候选节点中混合势能场值中最大或较大值所对应的候选节点作为数据传输的下一跳的首选节点，从而实现全网络的能量均衡消耗；在相同网络条件下经仿真运行，本发明与背景技术相比在能源的使用寿命上提高了24.65%（参见附图1）；平均跳数比背景技术EBRP算法减少3跳左右（参见附图2）、并避免了路由环路的产生和减少了冗余跳数，提高了传输的速率并确保了数据包最终传向汇聚节点；而本发明的能量消耗均衡方差值为37.4，小于背景技术EBRP算法的38.9（参见附图3），说明网络能量的消耗更为均衡。因而,本发明具有网络负载分担合理，各个节点的能量消耗均衡，避免了网络过早出现通信的盲区，延长了网络运行中能源的使用寿命（周期），有效提高网络运行的可靠性、效益及降低运行成本等特点。
附图说明
图1.为具体实施方式与背景技术仿真运行“能源的使用寿命”曲线对比示意图；
图2.为具体实施方式与背景技术仿真运行“能量消耗均衡方差值”曲线对比示意图；
图3.为具体实施方式与背景技术网络仿真运行中在相同条件下“数据包平均传输跳数”效果曲线对比示意图。
具体实施方式
仿真平台采用MATLAB，200个传感器节点被随机分布在一个半径为50米的圆形区域内通过自组织方式形成感知网络，汇聚节点位于圆心处。所有传感器节点的初始能量均为200mj，发送接收最大参考半径为10米。根据自由空间能量模型ETx＝kETx-elec+kεfsd2、ERx＝kERx-elec估计节点发射消耗的能量为6nj、接收消耗的能量为5nj，其中k表示数据包的大小、εfs（free space自由空间）表示自由空间能量模型的参数、d表示节点发射距离（半径）、ETx-elec（transmit xmt electron发射电路）表示发射电路的能量消耗,ERx-elec（receive xmtelectron接收电路）表示接收电路的能量消耗。当监测区域内有事件发生，区域内的节点承担采样和中继的任务。
步骤1.给网络中除汇聚节点外的各节点分别分配一网络地址并建立路由表，然后将汇聚节点的深度值设置成0，而将其余各节点的深度值初始化成0xff、剩余能量值以及能量密度值初始化成200mj；
步骤2.汇聚节点向各第一跳节点发送其默认设置的深度值0；
步骤3.各第一跳节点在收到汇聚节点发送的深度信息0的基础上加1作为各节点的深度作为各第一跳节点更新后的深度值，然后各第一跳节点分别将其网络地址和更新后的深度值及初始化的剩余能量值、能量密度值作为相应节点当前的参数（状态）信息发出；
步骤4.当某一节点收到步骤3所发全部或部分数据包后，将各数据包中记录的网络地址、深度值、剩余能量值和能量密度值分别记录在该节点的路由表中；当该节点不是第一跳节点时，则在收到的数据包中记录的深度值上加1作为该节点更新后的深度值，然后将该节点的网络地址和更新后的深度值及初始化的剩余能量值、能量密度值作为第二跳节点当前的参数（状态）信息发出；按上述办法依次更新网络中其余节点的路由表及确定相应的第三跳、第四跳…第十跳节点当前的参数（状态）信息；
步骤5.将初始化的剩余能量值与发送、接收数据包消耗的能量值之差更新各相应节点的剩余能量值以及路由表中该对应节点的剩余能量值；
步骤6.根据能量密度定义，（j表示节点i的邻居节点、s(i)表示节点i通信区域面积）确定各节点的能量密度值，更新相应节点初始化的能量密度值以及路由表中该对应节点的能量密度值；
步骤7.当网络地址为10的节点作为当前节点采集到信息生成拟发送的数据包时，首先建立该数据包的路由栈，再将该当前节点的深度值4记录在路由栈中后，转步骤8；
步骤8.将网络地址为10的节点的路由表中各节点的深度值与该当前节点本身的深度值相等或小于1的节点作为数据包传输的下一跳候选节点，其中网络地址为15、18、39、86、126的节点被选为下一跳候选节点；
步骤9.根据下一跳候选节点本身的参数（状态）信息中的剩余能量值、能量密度值确定其剩余能量势能场值以及能量密度势能场值，然后将两个场值按1：1的比例叠加成混合势能场值，网络地址为15、18、39、86、126的节点的混合势能场值分别为176mj、168mj、179mj、174mj和177mj。
步骤10.选择混合势能值中最大值所对应的网络地址为39的下一跳候选节点作为数据传输的下一跳首选节点；
步骤11.网络地址为39的节点的深度值为3与路由栈中记录数据包传输经过的上两跳节点的深度值不相同，则将数据包传输到该首选节点，并将该节点深度值3记录在路由栈中；按上述方法本实施方式在此后运行中选择出了网络地址为57、19、6的节点依次作为数据传输的下一跳节点，即将数据包传至汇聚节点。
附图1、附图2及附图3：分别为本实施方式与背景技术在相同网络条件下进行仿真运行过程中，网络的“能源的使用寿命”、“能量消耗均衡方差值”以及“数据包平均传输跳数”效果曲线对比示意图。由附图1可知，本发明路由方法与背景技术相比，能源的使用寿命提高了24.65%；从附图2可看出本发明路由方法数据包传输的平均跳数比背景技术EBRP算法减少大约3跳，在保证数据包最终能被汇聚接收的同时有效减少了传输延迟；从附图3可知，本发明路由方法的能量均衡方差值是37.4，小于EBRP算法的38.9，说明网络能量的消耗更为均衡。

Claims (3)

1.一种能量均衡消耗的路由方法，包括：
步骤1.网络初始化:首先给网络中除汇聚节点外的各节点分别分配一网络地址并建立路由表，然后将汇聚节点的深度值设置成0，而将其余各节点的深度值、剩余能量值以及能量密度值分别进行初始化处理；
步骤2.发送汇聚节点深度值：运行时汇聚节点将步骤1中设置的深度值0发送至所有第一跳节点；
步骤3.第一跳节点深度值的更新及发送：各第一跳节点在收到步骤2发送的深度值后，在汇聚节点深度值0的基础上加1作为各第一跳节点更新后的深度值，然后分别将各第一跳节点分别将其网络地址和更新后的深度值及初始化的剩余能量值、能量密度值作为相应节点当前的参数信息发出；
步骤4.更新路由表并确定第二跳各节点当前的参数信息：当某一节点收到步骤3所发全部或部分数据包后，将各数据包中记录的网络地址、深度值、剩余能量值和能量密度值分别记录在该节点的路由表中；当该节点不是第一跳节点时，则在收到的数据包中记录的深度值上加1作为该节点更新后的深度值，然后将该节点的网络地址和更新后的深度值及初始化的剩余能量值、能量密度值作为第二跳节点当前的参数信息发出；按上述办法依次更新网络中其余节点的路由表及确定相应的第三跳、第四跳…节点当前的参数信息；
步骤5.节点剩余能量值的确定和更新：通过自由能量模型ETx＝kETx-elec+kεfsd2、ERx＝kERx-elec分别确定各节点发送和接收数据包已消耗的能量值；式中k表示数据包的大小，ETx-elec表示发送器的能量消耗，εfs表示自由能量模型的参数，d表示节点发射距离,ERx-elec表示接收器的能量消耗；将初始化的剩余能量值与发送、接收数据包消耗的能量值之差更新各相应节点的剩余能量值以及路由表中各相应节点的剩余能量值；
步骤6.节点能量密度值的确定和更新：根据能量密度定义，确定各节点的能量密度值，更新相应节点初始化的能量密度值以及路由表中各相应节点的能量密度值；式中：j表示节点i的邻居节点、s(i)表示节点i通信区域面积；
步骤7.对节点生成及收到数据包的处理：当某一节点作为当前节点需生成拟发送的数据包时，首先建立该数据包的路由栈，再将该当前节点的深度值记录在路由栈中后，转步骤8；若该当前节点收到应转发的数据包时，则将该当前节点的深度值直接记录在所收到数据包的路由栈中后，转步骤8；
步骤8.下一跳候选节点的确定：将步骤7所述当前节点的路由表中各节点的深度值与该当前节点本身的深度值相等和小1的节点作为数据包传输的下一跳候选节点；
步骤9.各下一跳候选节点混合势能场值的确定：通过步骤8中所选的各下一跳候选节点的剩余能量值、能量密度值分别确定其剩余能量势能场值以及能量密度势能场值，进而确定各候选节点相应的混合势能场值；
步骤10.确定下一跳首选节点：选择混合势能场值中最大值所对应的下一跳候选节点作为数据传输的下一跳首选节点；
步骤11.下一跳节点的确定：首先判断下一跳首选节点的深度值是否与路由栈中所记录数据包经过的上两跳节点的深度值均分别相同，如果是，将该首选节点删除；并返回步骤10选择其差值为第二大的值所对应的节点作为下一跳首选节点，继续判断该下一跳首选节点的深度值是否与路由栈中所记录数据包经过的上两跳节点的深度值均分别相同，如果是，仍将该首选节点删除；按以上方式再返回步骤10选择其差值为第三大的值所对应的节点作为下一跳首选节点并进行判断，直至判断结果为否，此时该差值所对应的下一跳首选节点则为数据包传输的下一跳节点，并将该节点的深度值记录在数据包路由栈中；按以上方法确定各数据包传输的下一跳节点，直至数据包到达汇聚节点止。
2.按权利要求1所述能量均衡消耗的路由方法，其特征在于步骤9中所述各下一跳候选节点的：剩余能量势能场值通过Ve(i)＝E(i)确定，式中：E(i)表示节点的剩余能量值；能量密度势能场值通过Ved(i)＝ED(i)＝∑E(j)/s(i)，式中：ED(i)表示节点i的能量密度值、j表示节点i的邻居节点、s(i)表示节点i通信区域的面积。
3.按权利要求1所述能量均衡消耗的路由方法，其特征在于步骤9中所述各下一跳候选节点混合势能场值的确定，其所选各下一跳候选节点的混合势能场中剩余能量势能场值与能量密度势能场值之比均为1:0.8-3.0。
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